اصول طراحی برج خنک کننده برای آموزش مهندسین طراح برج خنک کننده تهیه شده است. بنابراین ، اصول طراحی برج خنک کننده به موضوعات بسیار مشخصی می پردازد ، که تاکنون هرگز منتشر نشده است.
مهندسین طراح برج خنک می توانند به راحتی اصول طراحی برج خنک کننده را درک کنند و خواهند توانست از طریق نمونه های واقعی برنامه طراحی را به خودی خود انجام دهند همه روی MS Excel اجرا شده اند و این روش جدید را در برنامه طراحی حرارتی برج خنک کننده خواهید دید.
مهمترین نگرانی در طی مطالعه اصول طراحی برج خنک کننده ، نحوه رایانه سازی اصول طراحی برج خنک کننده از محاسبه NTU تا تجزیه و تحلیل عملکرد برج خنک کننده بود. اگر این مقالع را با دقت بخوانید ، می توانید خودتان اصول طراحی برج خنک کننده را انجام دهید. باز هم ، این اولین مقاله خواهد بود که رویکرد مهندسی واقعی برج خنک کننده را با نمونه هایی در جهان منتشر می کند.
سایکرومتریک
سایکرومتریک اصول طراحی برج خنک کننده به خصوصیات ترمودینامیکی هوای مرطوب می پردازد و از این خصوصیات برای تحلیل شرایط و فرآیند مربوط به هوای مرطوب استفاده می کند. هوای جوی حاوی بسیاری از گازها و همچنین بخار آب و آلاینده های مختلف (مانند دود ، گرده و آلاینده های گازی) است. هوای پاک زمانی وجود دارد که تمام بخارات آب و آلودگی ها از هوای جوی خارج شود.
ترکیب هوای پاک نسبتاً ثابت است ، اما تغییرات کمی در مقدار اجزای جداگانه با زمان ، موقعیت جغرافیایی و ارتفاع اتفاق می افتد. جرم مولکولی ظاهری یا متوسط وزن مولکولی وزن کلیه مولفه ها ، برای هوای خشک است 28.9645 ، بر اساس مقیاس کربن -12. ثابت گاز برای هوای خشک ، بر اساس مقیاس کربن -12 ، 1545.32 / 28.9645 = 53.352 فوت lbf / lbm R است.
هوای مرطوب ترکیبی از باینری و بخار آب است. مقدار بخار آب در هوای مرطوب از صفر (هوای خشک) تا حداکثر متغیر است که بستگی به دما و فشار دارد. شرط دوم به اشباع ، حالت تعادل خنثی بین هوای مرطوب و فاز آب تغلیظ شده اشاره دارد. مگر در مواردی که بیان شود ، اشباع به یک سطح رابط صاف بین هوای مرطوب و فاز تغلیظ شده اطلاق می شود.
وزن مولکولی آب 18/01528 در مقیاس کربن 12 است. دمای گاز بخار آب 1545.32 / 18.01528 = 85.778 فوت lbf / lbm oR دما و فشار فشار هوا هوای جوی از نظر ارتفاع و همچنین با شرایط جغرافیایی و هوایی محلی متفاوت است. جوی استاندارد برای تخمین خواص در ارتفاعات مختلف ، مرجع استانداردی را ارائه می دهد.
در سطح دریا دمای استاندارد 59 درجه فارنهایت است. فشار استاندارد فشارسنج 29.921 اینچ جیوه است. فرض بر این است که دما با افزایش ارتفاع در کل تروپوسفر (جو کمتر) به طور خطی کاهش می یابد و در قسمت های پایینی استراتوسفر ثابت می شود. اتمسفر پایین به صورت ثابت هوای خشک فرض می شود که بعنوان یک گاز مناسب رفتار می کند.
جاذبه نیز ثابت است. نسبت رطوبت (در عوض ، میزان رطوبت یا نسبت اختلاط) به عنوان نسبت جرم بخار آب به جرم هوای خشک تعریف می شود. رطوبت خاص نسبت جرم بخار آب به کل جرم هوای مرطوب است. رطوبت مطلق (متناوب ، چگالی بخار آب) نسبت جرم بخار آب به کل حجم هوای مرطوب است.
نسبت رطوبت اشباع ، نسبت رطوبت هوای مرطوب اشباع شده با توجه به آب در همان دما و فشار است. درجه اشباع ، نسبت نسبت رطوبت هوا به نسبت رطوبت هوای اشباع در همان دما و فشار است. رطوبت نسبی ، نسبت کسری مول بخار آب در هوای مرطوب داده شده به کسر مولی در هوای اشباع شده در همان دما و فشار است.
آنتالپی هوای مخلوط مجموع آنتالپی های جزئی فردی برای هوای خشک و برای بخار آب اشباع در دمای مخلوط است.
اصول طراحی برج خنک کننده
مبانی انتقال حرارت و حجم هوای برج خنک کننده
بسیاری از تئوری های اصول طراحی برج خنک کننده از اوایل دهه 1900 ساخته شده اند که پدیده انتقال حرارت و جرم را در چندین نوع دستگاه خنک کننده آب جوی اتفاق می افتد. بسیاری از این تئوری ها مبتنی بر اصول مهندسی مکانیک است.
برج خنک کننده ممکن است مبدل حرارتی در نظر گرفته شود که در آن آب و هوا در تماس مستقیم با یکدیگر قرار دارند. هیچ روش قابل قبولی برای محاسبه دقیق سطح تماس کل بین آب و هوا وجود ندارد. بنابراین ، یک عامل “K” یا ضریب انتقال حرارت نمی تواند مستقیماً از داده های آزمایش یا با تئوری های انتقال حرارت شناخته شده تعیین شود.
این روند با انتقال انبوه پیچیده تر است. آزمایش های تجربی انجام شده بر روی طرح های تجهیزات خاص می تواند با استفاده از تئوری های پذیرفته شده و اثبات شده که با استفاده از تکنیک های تحلیل ابعادی تهیه شده اند ، ارزیابی شوند از همین روشها و تئوریهای اساسی می توان برای طراحی حرارتی و پیش بینی عملکرد در شرایط عملیاتی غیر از نقطه طراحی استفاده کرد.
بسیاری از دستگاه های انتقال گرما و انتقال جرم ، راه حل را با روش های نظری یا آنالیز ابعادی تعریف می کنند. داده های طراحی باید توسط تست های مقیاس کامل تحت شرایط عملیاتی بدست آید.
مواردی از قبیل کندانسورهای تبخیری که در آن بار گرمای داخلی اعمال می شود ، همراه با آب و هوا که از طریق لوله های کندانسور در الگوهای جریان غیر قابل توصیف گردش می شوند ، مشکلی را ایجاد می کند که با روش های ریاضی به طور مستقیم قابل حل نیست.
شرایط مرزی به اندازه کافی تعریف نشده است و معادلات اساسی که متغیرها را توصیف می کند نوشته نشده است. دستگاه های دیگر مانند حوضچه های اسپری ، برج های اسپری جوی و سیستم های کانال اسپری جدیدتر فقط با روش های ریاضی ارزیابی نشده اند.
در این نوع تجهیزات از الگوهای جریان مختصر آب و هوا استفاده می شود. تلاشهای زیادی برای ارتباط بین عملکرد با استفاده از “تئوری های افت” ، “راندمان خنک کننده” ، تعداد واحد انتقال ، همه بدون نتایج اثبات شده انجام شده است. داده های طراحی دقیق به بهترین وجه با آزمایش های واقعی در طیف گسترده ای از شرایط کار با ترتیب مشخص انجام می شود.
به نظر می رسد توسعه تئوری برج خنک کننده با فیتزجرالد آغاز می شود. انجمن مهندسان عمران آمریکا از فیتزرالد خواسته بود که مقاله ای در مورد تبخیر بنویسد ، و آنچه به نظر می رسید یک کار ساده است ، منجر به تحقیقات 2 ساله شد.
نتیجه ، احتمالاً با توجه به زمان ، بیشتر از مقاله ای است تا یک مقاله فنی مدرن. از زمان مطالعه فیتزجرالد ، بسیاری از افراد مانند ماسکروپ ، کوفی و هورن ، رابینسون و واکر و غیره سعی در توسعه این تئوری کردند.
نظریه مرکل
محققان اولیه اصول طراحی برج خنک کننده در نظریه برجهای خنک کننده با مشکل ارائه شده در انتقال دوگانه گرما و جرم مواجه شدند. نظریه مرکل با ترکیب این دو در یک فرآیند واحد بر اساس پتانسیل آنتالپی این مسئله را پشت سر می گذارد. دکتر فردریک مرکل در دانشکده کالج فنی درسدن در آلمان بود.
او به موقع پس از انتشار مقاله برج خنک کننده خود درگذشت. این تئوری در خارج از آلمان توجه کمی را به خود جلب کرده بود تا اینکه در دانشکده کالج فنی درسدن در آلمان توسط H.B. کشف شد. Nottage در سال 1938. تحقیقات برج خنک کننده برای چندین سال در دانشگاه کالیفرنیا در برکلی به سرپرستی استاد L.K.M انجام شده است.
بولتر Nottage ، دانشجوی مقطع کارشناسی ارشد ، یک پروژه برج خنک کننده را آغاز کرد که وی با جستجوی آن شروع به کار کرد. او تعدادی از منابع به مرکل را یافت ، تئوری ها را جستجو کرد و بلافاصله از اهمیت آن شگفت زده شد. این مورد مورد توجه ماسون و لندن قرار گرفت.
آنها نیز تحت عنوان Boelter مشغول به کار بودند و توضیح می دهد که چگونه آنها قادر به استفاده از تئوری مرکل در مقاله خود بودند. دکتر مرکل تئوری برج خنک کننده را برای جرم (تبخیر بخش کوچکی از آب) و انتقال گرمای معقول بین هوا و آب در یک برج خنک کننده جریان ضد ایجاد کرد.
این تئوری جریان جرم و انرژی را از آب فله به رابط و سپس از رابط به جرم هوای اطراف در نظر می گیرد. جریان از این دو مرز عبور می کند ، هر یک مقاومت ایجاد می کنند که منجر به شیب در دما ، آنتالپی و رطوبت می شود.
برای جزئیات بیشتر درمورد نظریه مرکل ، به عملکرد برج خنک کننده ویرایش شده توسط دونالد بیکر مراجعه کنید و مشتق مختصر در اینجا آورده شده است. مرکل اظهار داشت که انتقال کل حرارت مستقیماً با تفاوت بین آنتالپی هوای اشباع در دمای آب و آنتالپی هوا در نقطه تماس با آب متناسب است.
این معادله انتقال حرارت اصلی توسط چهار نقطه Tchebycheff ، که از مقادیر y در مقادیر از پیش تعیین شده x در فاصله زمانی a تا b استفاده می کند ، در ارزیابی عددی استفاده می کند.
محاسبات و طراحی برج خنک کننده
تعادل گرما در اصول طراحی برج خنک کننده
اصول طراحی کولینگ تاور
در نتیجه ، آنتالپی هوای خروج ، جمع بندی آنتالپی ورودی هوا و افزودن آنتالپی از آب به هوا است (این مقدار L / G x Range است).
مفاهیم طراحی و محاسبات برج خنک کننده
درجه حرارت متناظر با این مقدار آنتالپی هوا را می توان از جدول منتشر شده توسط موسسه طراح خنک کننده برج یا دیگر منحنی سایکرومتری دست آمده است. با این حال ، این را می توان از طریق برنامه رایانه محاسبه کرد. روش محاسبه دما در آنتالپی معین ، یافتن دمای مطلوبی از همان مقدار آنتالپی است که با استفاده از تکرار ، دما را تغییر می دهد.
محاسبه NTU (تعداد واحد انتقال) در اصول طراحی برج خنک کننده
مفاهیم طراحی و محاسبات برج خنک کننده
سمت راست معادلات فوق ظاهراً عاملی بدون بعد است. این را می توان تنها با استفاده از دما و جریانهایی که وارد برج خنک کننده می شوند محاسبه کرد. کاملاً مستقل از اندازه برج است و پیکربندی آن را پر کرده و غالباً به دلیل عدم وجود دیگری نامیده می شود.
ترسیم چندین مقدار NTU به عنوان تابعی از L / G آنچه به عنوان منحنی “تقاضا” شناخته می شود ، می دهد. بنابراین ، NTU نیز نیاز برج خنک کننده خوانده می شود.
اصول طراحی برج خنک کننده
به آزمایش زیر توجه کنید:
اصول طراحی برج خنک کننده
این بسیار مناسب برای استفاده از ابزار زیر در محاسبه NTU است.
در برج خنک کننده واقعی ، آنچه آب به طور مساوی در تمام قسمتهای پر از آب پخش می شود بسیار نادر است. اگر دما بر روی بالای دستگاه حذف کننده رانش اندازه گیری شود ، دمای در محلی که آب از سایر مکان ها کوچکتر است ، همیشه پایین تر از آب بیشتر است.
این امر به این دلیل است که هوا در محلی که آب در آن کم است می تواند به دلیل افت فشار کمتر با بارگذاری آب ، به راحتی بالا برود.
منحنی مشخصه و ویژگی های برج خنک کننده
لیختنشتاین معادله “برج خنک کننده” را در سال 1943 معرفی کرد و از تئوری مرکل در رابطه با معادلات دیفرانسیل و اساسی برای تعریف شرایط مرزی برج خنک کننده استفاده کرد. گروه های طراحی بعدی نتیجه متغیرهایی را برای انتقال گرما و انتقال جرم در برج خنک کننده جریان مستقیم مرتبط داشتند.
لیختنشتاین با آزمایش آزمایشی مشخص کرد که معادله وی سرعت و سرعت جرم هوا را به طور کامل در نظر نمی گیرد. وی همچنین در مقاله اصلی نشان می دهد که آزمایشاتی که در دانشگاه کالیفرنیا انجام شده است ، تغییراتی را در برج خنک کننده جریان متقابل به دلیل دمای ورودی آب پیشنهاد می کند. روشی برای تنظیم برج برج برای اثر داده شده است.
محققان متعددی تأثیر دمای آب گرم و سرعت هوا در برج پیشخوان را اثبات کرده اند. از معادله مرکل برای محاسبه تقاضای حرارتی بر اساس دمای طراحی و نسبت های مایع به گاز (L / G) انتخاب شده استفاده می شود. مقدار KaV / L به معیار میزان دشواری نیازهای خنک کننده مایع تبدیل می شود.
دمای طراحی و L / G تقاضای حرارتی را با MTD (میانگین اختلاف دما) که در هرگونه مشکل انتقال حرارت استفاده می شود ، مرتبط می کند. همانطور که توسط لیختن اشتاین بیان شده است ، استفاده از روش وی برای طراحی برج نیاز به یک راه حل یکپارچه سازی گرافیکی کارآزموده و خطا دارد.
وی در حین کار با شرکت فاستر ویلر ، نسخه محدودی از “کتاب خنک کننده برج سیاه” را در سال 1943 منتشر کرد. محاسبات تقاضای برج در حجم منحنی هایی شامل می شد که نیاز به کارهای شلوغ خسته کننده را از بین می برد. سالها انتشار این استاندارد برای ارزیابی و پیش بینی عملکرد برج خنک کننده بود.
انتشار مشابهی با عنوان “برج خنک کننده جریان متقابل” در سال 1957 توسط J. F. Pritchard و شرکت کالیفرنیا منتشر شد. به اصطلاح “کتاب قهوه ای” تغییری در قالب یک طرح ورود به سیستم چند چرخه ارائه داد. این قالب اجازه می دهد تا منحنی های برج برج خنک کننده به صورت خطوط مستقیم ترسیم شود.
این نشریه شامل داده های طراحی برج خنک کننده برای انواع مختلف پر کردن جریان متقابل است. روشها و فاکتورهای طراحی مؤثر بر انتخاب و عملکرد برج خنک کننده بحث شده است. با ظهور عصر رایانه ، موسسه Cooling Tower در سال 1967 “کتاب آبی” را با عنوان “منحنی های برج برج خنک کننده” منتشر کرد.
در دسترس بودن و استفاده از رایانه این کمیته به کارآیی و فناوری اجازه داد تا چندین روش ادغام عددی را برای حل این مسئله بررسی کند. معادله اساسی روش Tchebycheff به عنوان سازگاری و دقت کافی برای حجم پیشنهادی انتخاب شد. منحنی های CTI با فاصله زیاد دما و شرایط عملیاتی توسط کامپیوتر محاسبه و ترسیم شد.
منحنی ها با تقاضای حرارتی ، KaV / L به عنوان تابعی از نسبت مایع به گاز ، L / G رسم می شوند. خطوط رویکرد (tw1 – WBT) به عنوان پارامتر نشان داده می شوند. منحنی ها حاوی مجموعه ای از 821 منحنی هستند که مقادیر KaV / L را برای 40 درجه لامپ مرطوب ، 21 دامنه خنک کننده و 35 رویکرد ارائه می دهند.
مشخصه های فنی برج خنک کننده
اصول طراحی برج خنک کننده
فرم معادله مورد استفاده ای بخصوصی برای تجزیه و تحلیل توانایی عملکرد حرارتی یک برج خنک کننده مشخص مورد نیاز بود. در حال حاضر ، معادله زیر به طور گسترده ای پذیرفته شده است و بسیار مفید است که بتوانید روی هر منحنی مشخصه قرار دهید، زیرا رابطه KaV / L در مقابل L / G یک عملکرد خطی در منحنی مشخصه هوای ورودی به سیستم است.