مفهوم دما در برج خنک کننده

دمای برج خنک کننده یکی از مهمترین پارامتر های طراحی یک سیستم برودتی به شمار می آید که می تواند به عنوان ورودی، خروجی و دمای مرطوب محیط به حساب بیاید. برج خنک کننده با هدف کاهش دمای آب در صنایع با نام کولینگ تاور نیز شناخته می شود که این کار را با تماس بین آب و هوا انجام می دهد. شناخت دمای برج خنک کننده، یعنی محدوده دمایی که آب در یک کولینگ تاور می تواند با آن کار کند.

اگر دمای مورد نیاز بالاتر از حداکثر دمای مرطوب محیط باشد، باید از برج خنک کننده استفاده کرد. بنابراین بازه دمایی تعریف شده واحد مصرف کننده آب خنک نشان می‌ دهد که کدام دستگاه برج خنک کننده مورد نیاز است. در عین حال باید اشاره کرد که می‌ توان از چیلر در محدوده دمایی برج خنک کننده نیز استفاده کرد، ولی از نظر اقتصادی و مصرف انرژی به صرفه نمی‌ باشد.

در واقع می توان گفت که برج خنک کننده بخاطر عملیات تبخیری خود محدودیت هایی در دمای ورودی و خروجی دارد. دمای خروجی برج خنک کننده به مشخصات محیط نصب وابسته می باشد. به عبارت دیگر به محدوده کارکرد حرارتی در یک برج خنک کننده محدوده دمایی گفته می شود. بنابراین محدوده دمایی به میزان اختلاف دمایی که برج خنک کن می تواند به وجود آورد، می گویند.

انواع مفهوم دما در برج خنک کننده

• دمای مرطوب برج خنک‌ کننده (Wet-Bulb)

این پارامتر دمایی مشخصه ای از یک محیط اقلیمی می باشد که به نام دمای مرطوب برج خنک کننده هم شناخته می شود. شناسایی این دما در داده های هواشناسی منطقه و همچنین از طریق جداول سازمان مدیریت و برنامه ریزی کشور قابل انجام می باشد. این دما در طول ساعات روز و همچنین در یک سال ثابت نبوده و دائماً در حال تغییر است. ملاک طراحی برج خنک کننده، در واقع در بدترین شرایط دمایی یعنی تابستان ساعت 3 بعدازظهر در روزهای مرداد ماه محاسبه می شود.

• دمای خشک برج خنک کننده (Dry- Bulb)

میزان دمایی است که از محیط در حالت خشک بدون رطوبت قابل اندازه گیری باشد را دمای خشک می گویند. دمای محسوس معمولاً در بیشتر اوقات به دمای خشک خیلی نزدیک است. دلیل نزدیک بودن این موضوع، کمبود درصد رطوبت محیط در بیشتر مناطق کشور ایران است. این دما در محاسبات برج خنک کننده معمولاً به حساب نمی آید.

• دمای اپروچ در برج خنک کننده (Approach)

آب در هر برج خنک کننده دارای یک دمای خروجی بوده که این دما تا حد مشخصی می تواند کاهش پیدا کند. دمای اپروچ به میزان نزدیکی دمای خروجی آب سرد برج خنک کن نسبت به محیط اطراف گفته می شود. کمترین میزان دمای اپروچ در برج خنک کننده 8/2 درجه سانتی گراد، یعنی معادل 5 درجه فارنهایت می باشد. به عبارت دیگر در محیطی که دمای مرطوب آن معادل 20 درجه سانتیگراد در شرایط تابستانی می باشد، رسیدن به دمای پایین تر از 8/22 درجه امکان پذیر نمی باشد.

میزان دمای خروجی برج خنک کننده

مهمترین اصل در طراحی برج خنک کننده، میزان خروجی دمای آب در یک کولینگ تاور می باشد. در واقع در صنعت و کارخانجات به منظور افزایش راندمان برج خنک کن، هدف آنها شارژ کردن آب از سیستم برودتی با دمای پایین تر می باشد. رسیدن به دمای پایین تر از دمای وت بالب در یک سیستم سرمایشی تبخیر امکان پذیر نمی باشد. در عمل، دمای خروجی از برج خنک کننده در بازه بین 8/2 درجه الی 5 درجه بالاتر از دمای اشباع محیط نصب پایین نخواهد آمد.

پایین ترین دمای خروجی از برج خنک کننده = 8/2 درجه بالاتر از دمای مرطوب محیط در شرایط آب و هوایی لحظه ای

از طرف دیگر اگر دمای ورودی کولینگ تاور بالاتر از 50 درجه باشد، رسیدن به دمای پایین تر از 30 درجه در یک سیکل نمی رسد. دمای برج خنک کننده مرطوب مکعبی که بیشترین عملکرد را دارد با اختلاف دمایی حداکثر 10 الی 15 درجه در تجربه گزارش شده است. البته لازم به ذکر است که با وجود دستگاه سرمایشی در یک سیکل، منبع برودتی اگر ظرفیت مناسبی داشته باشد، اجازه نخواهد داد که دما از بازه 40 درجه بالاتر برود.

آیا تفاوتی بین دمای برج خنک کننده در طول روز و همچنین سالانه وجود دارد؟

دمای محیط همواره در حال تغییر و تحول است. با تغییرات دمایی محیط، خروجی کار هم متفاوت خواهد بود و دستگاه سرمایش تبخیری دمای متفاوت تری را ارائه می دهد. در طول روز به دلیل بالا بودن دمای خشک محیط و رطوبت نسبی طبق نمودارهای سایکرومتریک (مربوط به مشخصات اقلیم محیط) دمای مرطوب، به بالاترین حد خود می رسد. بیشترین دمای wet-bulb در ساعت 3 ظهر، روزهای مرداد ماه در هر شهر یا محیط اعلام می شود. کمترین میزان دمای مرطوب محیط هم به ساعت 19 شب های زمستانی حدود دی ماه گزارش می شود.

شهرهای ارائه دهنده نسبت پایین تر دما برای برج خنک کننده

غالباً شهرهایی که دارای آب و هوای خشک و خنک هستند، بالاترین راندمان را در سیستم های سرمایشی ثبت می کنند. شهرهایی مثل یزد، کرمان، سمنان، شاهرود، سبزوار و به خصوص در شهرهای خشک، معمولاً دمای پایین تری در سیستم ارائه می شود. در واقع خشکی هوای ورودی به برج خنک کننده موجب می شود تا آب در برخورد با هوای خشک تر میزان بیشتری تبخیر صورت دهد. تبخیر بیشتر باعث شکل گیری میزان انتقال حرارت افزون تر گشته و کارایی برودتی دستگاه کولینگ تاور را افزایش می دهند.

برج خنک کننده در چه شهرهایی دمای بالاتری دارد؟

شهرهای جنوبی کشور معمولاً از دو جنبه دمای خشک بالا و همچنین نزدیکی به دریا، دارای رطوبت بالایی هستند. در این محیط ها عموماً دمای مرطوب بیشتر از 26 درجه سانتیگراد خواهد بود. برج های خنک کننده در این شرایط، دمایی نزدیک 30 درجه سانتیگراد ( 87 درجه فارنهایت) را ارائه می دهند. البته تمامی مطالب ذکر شده در بالا در خصوص فصل تابستان و در شلوغ ترین زمان کاری می باشد. در فصول زمستان نیز در این شهرها رسیدن به دمای حدود 20 درجه، قابل دسترس است. در کارخانجات صنعتی در استان های خوزستان، بوشهر، چابهار و ... به طور معمول از ترکیب سیستم های چیلر و برج های خنک کننده استفاده می شود.

میزان دمای ورودی به برج خنک کننده

این پارامتر مستقیماً به موادی که سازنده کولینگ تاور مورد استفاده قرار می دهد، وابسته می باشد. به عنوان مثال اگر پکینگ از جنس PVC باشد، دمای کاری برج حداکثر 60 درجه سانتیگراد اعلام می ‌گردد. در حالت استفاده از پکینگ های پلی پروپیلن PP دمای ورودی آب در برج خنک کننده به 85 درجه سانتیگراد افزایش می یابد. دمای ورودی برج خنک کننده وابسته به نوع برج خنک کن نیز متفاوت است. در برج ‌های مدار باز دمای ورودی آب حداکثر 85 درجه و در نوع مداربسته این عدد به بالای 100 درجه افزایش خواهد یافت.

دسته بندی محدوده دمایی در نقطه ورودی کولینگ تاور

• دمای بین 30 الی 50 درجه سانتیگراد

در این محدوده دمایی اکثر برج های خنک کننده با هر جنس و  متریالی، تحمل مورد نظر را دارا می باشند. در واقع در این دسته بندی نیاز به تمهیدات خاصی در تولید و ساخت کولینگ تاور نمی باشد. انواع پلیمرها و فلزات و حتی فایبرگلاس به راحتی دمای فوق را تحمل می نمایند.

• دمای بین 50 الی 70 درجه سانتیگراد

در این بازه دمایی باید دقت کرد که بسیاری از پلیمرها از جمله PVC دچار تغییر شکل خواهند شد. به عبارت دیگر اگر دما در برج خنک کننده از عدد درجه سانتیگراد 50 بالاتر رفت، باعث آسیب رسیدن به نازل ها، پکینگ ها، لوله ها و بست های کمربندی می شود. برای مقابله با این مسئله، باید تولیدکننده کولینگ تاور از پلیمرهایی با مقاومت متوسط همچون کوپلیمرها، پلی اتیلن سنگین و پلی پروپیلن سبک استفاده نماید.

• دمای بالاتر از 70 درجه سانتیگراد

در این محدوده باید از پکینگ هایی به شکل اسپلش یا پاششی با دمای کاری 90 درجه سانتیگراد استفاده کرد. به بیان دیگر هنگامی که دمای آب داغ در ورودی کولینگ تاور بالا باشد، در اولین برخورد با پکینگ دچار شکست حرارتی می گردد. برای برطرف نمودن این مشکل باید از پلیمرهای درجه یک آنتی باکتریال و ضد اشتعال (با قابلیت غوطه وری) در ساخت برج خنک کن استفاده شود.