طراحی و راه اندازی سیستم های دفع حرارت در اقلیم های بیابانی و خشک، چالش های مهندسی متعددی به همراه دارد. در این مناطق، دمای هوای محیط در روزهای گرم تابستان به شدت افزایش می یابد، رطوبت نسبی هوا به شدت افت می کند، گرد و غبار محیطی فراوان است و منابع آب در دسترس معمولا دارای املاح بالا و سختی زیاد هستند. برج خنک کننده به عنوان قلب تپنده سیستم دفع حرارت در صنایع، نیروگاه ها و چیلرهای ساختمانی، مستقیما با هوای آزاد و شرایط جوی سر و کار دارد. بنابراین، رعایت دقیق اصول طراحی برج خنک‌کننده برای مناطق گرم و خشک تضمین می کند که دستگاه بدون افت ناگهانی ظرفیت، تحمیل هزینه های سرسام آور مصرف آب یا خرابی های پی در پی ناشی از رسوب و خوردگی به کار خود ادامه دهد.
عملکرد سرمایش تبخیری در این مناطق با تناقضی جالب همراه است. از یک سو، پایین بودن رطوبت نسبی هوا باعث می شود دمای حباب مرطوب محیط به مراتب کمتر از دمای حباب خشک باشد. این ویژگی، پتانسیل ترمودینامیکی فوق العاده ای برای تبخیر آب و دستیابی به آب سرد با دمای پایین فراهم می آورد. اما از سوی دیگر، نرخ بالای تبخیر آب، سختی و شوری آب ورودی و وجود ریزگردها، شرایط را برای رسوب گذاری سریع، گرفتگی نازل ها و هدررفت آب مهیا می سازد. شناخت این شرایط مرزی، پایه و اساس هرگونه تحلیل محاسباتی در طراحی تجهیزات صنعتی است.
مبانی ترمودینامیکی و تعیین شرایط طراحی محیطی
مهم ترین گام در مهندسی یک برج تبخیری، انتخاب دقیق پارامترهای طراحی آب و هوایی است. در مناطق خشک، اختلاف میان دمای حباب خشک و دمای حباب مرطوب گاهی به بیش از بیست درجه سلسیوس می رسد. دمای حباب مرطوب مبنای تئوریک عملکرد خنک سازی است و برج هرگز نمی تواند آب را به دمایی پایین تر از حباب مرطوب برساند.
در استانداردها و اصول طراحی برج خنک‌کننده برای مناطق گرم و خشک معمولا دمای حباب مرطوب با احتمال رخداد یک درصد یا دو درصد در گرم ترین ساعات سال مبنای محاسبات ظرفیت قرار می گیرد. انتخاب دست پایین این دما باعث می شود در پیک گرمای تابستان، برج ظرفیت کافی برای تامین آب سرد خط تولید را نداشته باشد و چیلرها یا راکتورهای صنعتی زیر بار حرارتی بالا خاموش شوند. همچنین انتخاب دست بالا و غیرواقعی این عدد منجر به اوردیزاین شدن دستگاه، افزایش ابعاد سازه، توان فن ها و هزینه اولیه خرید می گردد. مهندس طراح باید پس از تعیین این دما، فاصله دمای آب خروجی با دمای حباب مرطوب را به صورت بهینه تنظیم کند تا برج نه آنچنان بزرگ شود که توجیه اقتصادی را از بین ببرد و نه آنچنان کوچک که توان دفع بار حرارتی را از دست بدهد.
تحلیل بازی حرارتی و رفتار ترمودینامیکی دستگاه
در تحلیل عملکرد حرارتی هر برج، دو مفهوم کلیدی به عنوان شاخص های اصلی ارزیابی مطرح می شوند: رنج و اپروچ. رنج حرارتی، اختلاف دمای آب گرم ورودی به برج با دمای آب سرد خارج شده از تشتک است که معرف کل بار گرمایی دریافت شده از فرایند است. اپروچ نیز اختلاف دمای آب سرد خروجی با دمای حباب مرطوب هوای ورودی است.
در مناطق گرم و خشک به دلیل پایین بودن رطوبت، دستیابی به مقادیر اپروچ کوچک تر از نظر فیزیکی آسان تر از مناطق شرجی است، اما نیازمند جریان هوادهی و سطح تبادل بسیار یکنواخت است. بررسی دقیق بازی حرارتی دستگاه نشان می دهد که اگر در اثر نوسان اقلیمی یا بادهای گرم کویری، دمای حباب مرطوب افزایش یابد، دمای آب سرد خروجی نیز با همان نسبت بالا می رود و فرایند صنعتی را تحت فشار قرار می دهد. در چنین اقلیم هایی اگر بازی حرارتی به درستی شبیه سازی نشود، با تبخیر نامتعادل آب، تعادل حرارتی مبدل ها به هم خورده و راندمان کلی تاسیسات افت می کند. بنابراین توجه به این محاسبات از الزامات اصلی در اصول طراحی برج خنک‌کننده برای مناطق گرم و خشک به حساب می آید.
انتخاب نوع ساختار و الگوی جریان هوا و آب
برج های خنک کننده از نظر نحوه برخورد جریان آب و هوا به دو دسته کلی جریان متقاطع و جریان مخالف تقسیم می شوند:
ساختار جریان مخالف
در این مدل، آب به وسیله نازل ها به سمت پایین اسپری می شود و هوا از قسمت زیرین پکینگ ها به سمت بالا حرکت می کند. برخورد متقابل آب و هوا راندمان ترمودینامیکی بالایی ایجاد می کند و سطح مقطع اشغال شده توسط دستگاه کمتر است. با این حال، در اقلیم های خشک و غبارآلود، نازل های تحت فشار در سیستم جریان مخالف حساسیت بیشتری نسبت به مسدود شدن با املاح و ذرات معلق دارند. برای استفاده از این سیستم، نصب فیلتراسیون دقیق و نازل های با دهانه بزرگ و ضد گرفتگی ضروری است.
ساختار جریان متقاطع
در سیستم جریان متقاطع، آب از یک تشتک ثقلی با سوراخ های توزیع کننده بدون فشار به سمت پایین حرکت می کند و هوا به صورت افقی از میان پکینگ ها عبور می نماید. مزیت بزرگ این طرح برای مناطق بیابانی، دسترسی آسان به حوضچه های توزیع آب برای تمیزکاری سریع و بدون توقف دستگاه است. علاوه بر این، در این سیستم ها به دلیل ورود ثقلی آب، نیاز به فشار پمپاژ کمتری وجود دارد و در نتیجه مصرف برق پمپ ها کاهش می یابد.
انتخاب پکینگ و سطوح انتقال حرارت
پکینگ ها وظیفه افزایش سطح و زمان تماس میان آب و هوا را بر عهده دارند. در اقلیم های خشک، کیفیت آب عامل تعیین کننده در انتخاب پکینگ است:
پکینگ های فیلمی
این پکینگ ها از ورقه های شیاردار فشرده تشکیل شده اند و آب را به شکل یک لایه نازک پخش می کنند. اگرچه پکینگ فیلمی بیشترین راندمان انتقال حرارت را در حجم مشخص ارائه می دهد، اما در مناطقی با آب سخت و هوای پر گرد و غبار، مجاری باریک آن ظرف چند ماه دچار انسداد رسوبی و بای پس هوا می شود. استفاده از پکینگ فیلمی در این اقلیم ها تنها در صورتی مجاز است که سیستم سختی گیری و تصفیه آب پیوسته در سایت وجود داشته باشد.
پکینگ های اسپلش و مشبک ضد رسوب
برای شرایطی که کیفیت آب ورودی مطلوب نیست و امکان تصفیه کامل وجود ندارد، پکینگ های اسپلش یا گرید بهترین گزینه هستند. این سطوح آب را به صورت قطرات متوالی خرد می کنند و دارای مسیرهای باز و غیرقابل انسداد هستند. هرچند برای دستیابی به ظرفیت برابر نیاز به ارتفاع برج و حجم پکینگ بیشتری است، اما پایداری کارکرد و عدم افت راندمان در طول چند سال بهره برداری، استفاده از آن را کاملا توجیه می کند. از این رو، تاکید بر سازگاری سطوح تبادل با سختی آب از اصول طراحی برج خنک‌کننده برای مناطق گرم و خشک است.
مدیریت بحران تبخیر و حفظ منابع آب
در مناطق کویری، آب ارزشمندترین منبع به شمار می رود. تبخیر مداوم، غلظت نمک ها و مواد معدنی را در تشتک به شدت بالا می برد. برای کنترل این وضعیت و جلوگیری از تخریب تجهیزات، راهکارهای زیر باید در طراحی لحاظ گردند:
افزایش چرخه تغلیظ و کنترل هوشمند زیرآب
تخلیه زیرآب باید بر اساس پایش آنلاین هدایت الکتریکی آب تشتک انجام شود. اگر تخلیه صرفا به صورت تجربی یا دستی صورت گیرد، یا آب بسیار زیادی هدر می رود یا با تجمع بیش از حد املاح، تشتک و لوله ها پر از رسوب گچی می شوند. با کنترل دقیق کیفیت شیمیایی و تزریق بازدارنده های رسوب، می توان چرخه تغلیظ را تا پنج یا شش برابر بالا برد و حجم آب جبرانی را به میزان چشمگیری ذخیره کرد.
قطره گیرهای استاندارد با راندمان بالا
در محیط های خشک و بادخیز، کشیده شدن قطرات آب توسط جریان هوا به خارج از برج می تواند سالانه صدها متر مکعب آب را تلف کند. استفاده از قطره گیرهای چند خم پی وی سی با راندمان حذف بالا، تلفات ناشی از دریفت را به کمتر از ۰/۰۰۱ درصد دبی گردشی می رساند و از پراکنده شدن مواد شیمیایی و املاح روی سقف و تجهیزات مجاور جلوگیری می نماید.
سیستم های هیبریدی و مدار بسته
در پروژه هایی که محدودیت شدید منابع آبی وجود دارد، برج های خنک کننده هیبریدی یا مدار بسته مجهز به کویل های خنک کاری خشک و تر پیشنهاد می شوند. این برج ها در فصول معتدل و سرد سال به صورت خشک و بدون مصرف قطره ای آب کار می کنند و تنها در روزهای اوج گرمای تابستان با اسپری آب روی کویل ها وارد مدار تبخیری می شوند. این معماری پیشرفته می تواند مصرف آب سالانه را تا بیش از پنجاه درصد کاهش دهد.
متریال و مقاومت در برابر شرایط سخت محیطی
تابش مستقیم و فرابنفش خورشید، بادهای شدید همراه با شن و املاح خورنده در آب نیازمند انتخاب هوشمندانه متریال ساخت است. استفاده از کامپوزیت های فایبرگلاس تقویت شده با الیاف شیشه ای و رزین های مقاوم در برابر اشعه فرابنفش، بهترین گزینه برای بدنه و تشتک به شمار می رود. فلزات گالوانیزه معمولی در این شرایط در اثر املاح آب به سرعت دچار پدیده زنگ سفید و پوسیدگی می شوند. در صورت نیاز به سازه های فلزی پشتیبان، استفاده از استنلس استیل یا فولاد با پوشش های گالوانیزه گرم ضخیم و رنگ اپوکسی دو لایه ضروری است.
همچنین توری های ورودی هوا و دریچه های لوور باید به گونه ای طراحی شوند که از ورود نور مستقیم خورشید به تشتک جلوگیری کنند تا رشد جلبک ها متوقف شود و همزمان از ورود گرد و غبار و برگ ها به درون سیستم ممانعت به عمل آید.
سیستم هوادهی، فن ها و کنترل دور متغیر
نوسان شدید دمای شب و روز در اقلیم های بیابانی یک فرصت عالی برای صرفه جویی در مصرف برق است. در طول شب با افت محسوس دما، بار خنک کاری کمتری به فن ها تحمیل می شود. در نظر گرفتن درایوهای سرعت متغیر بر روی موتور فن ها و استفاده از پره های آیرودینامیک فایبرگلاس با زاویه متغیر باعث می شود فن ها در ساعات خنک شبانه با دور پایین کار کنند و مصرف انرژی به شکل قابل توجهی افت یابد. پیاده سازی صحیح این جزئیات، چارچوب کامل اصول طراحی برج خنک‌کننده برای مناطق گرم و خشک را شکل می دهد.
جمع بندی
طراحی سیستم های سرمایش تبخیری برای اقلیم های خشک نیازمند نگرشی جامع به متغیرهای ترمودینامیکی، دسترسی آبی و شرایط سخت فیزیکی است. بهره گیری از پتانسیل دمای حباب مرطوب پایین، نیازمند اتخاذ تدابیری هوشمندانه نظیر انتخاب پکینگ های مقاوم در برابر گرفتگی، سیستم های کنترل اتوماتیک رسوب و زیرآب، متریال ضد اشعه خورشید و هوادهی مجهز به اینورتر است. با در نظر گرفتن تمامی این عوامل و اجرای مهندسی شده اصول طراحی برج خنک‌کننده برای مناطق گرم و خشک، می توان سیستمی پایدار، کم مصرف و بادوام ایجاد کرد که در گرم ترین روزهای سال نیز راندمان فرآیندهای صنعتی را حفظ نماید.
سوالات متداول
چرا با وجود گرمای شدید، برج تبخیری در مناطق خشک راندمان خوبی دارد؟
به دلیل پایین بودن رطوبت نسبی در این مناطق، دمای حباب مرطوب هوا بسیار کمتر از دمای حباب خشک است. از آنجا که اساس کار برج بر پایه سرمایش تبخیری و تبادل جرم است، این اختلاف دما پتانسیل ترمودینامیکی بالایی ایجاد کرده و اجازه می دهد آب با راندمان عالی خنک شود.
بهترین نوع پکینگ برای آب دارای سختی و رسوب بالا چیست؟
پکینگ های اسپلش یا شبکه ای ضد رسوب از جنس پلی پروپیلن بهترین انتخاب هستند. این پکینگ ها به دلیل داشتن مسیرهای باز و ساختار غیرمسدودشونده، حتی در صورت وجود املاح زیاد و غبار محیطی دچار گرفتگی نمی شوند و شستشوی آنها نیز آسان است.
چگونه می توان مصرف آب برج را در اقلیم بیابانی به حداقل رساند؟
با کنترل دقیق تخلیه زیرآب از طریق اندازه گیری هدایت الکتریکی، نصب قطره گیرهای استاندارد جهت حذف پرتاب آب، استفاده از مواد شیمیایی بازدارنده برای افزایش چرخه تغلیظ و در صورت امکان استفاده از سیستم های هیبریدی مدار بسته در فصول خنک تر سال.
چرا استفاده از ورق های گالوانیزه معمولی در این مناطق توصیه نمی شود؟
آب این مناطق دارای املاح و سختی بالایی است و تبخیر مداوم غلظت یون های خورنده مانند کلراید و سولفات را افزایش می دهد. این امر به همراه دمای آب باعث خوردگی سریع ورق های گالوانیزه و ایجاد زنگ سفید می شود. استفاده از فایبرگلاس مقاوم به فرابنفش گزینه بسیار مطمئن تری است.
