برج های خنک کننده از اجزای اصلی تاسیسات مکانیکی در ساختمان های اداری، مجتمع های مسکونی، بیمارستان ها و صنایع بزرگ هستند. وظیفه اصلی این دستگاه ها انتقال گرمای مازاد فرایند به هوای آزاد است، اما عملکرد پیوسته فن ها، گردش دبی بالای آب و حرکت بخش های مکانیکی همواره باعث تولید صدا و ارتعاش می شود. در محیط های شهری و درمانی، صدای کارکرد دستگاه می تواند موجب نارضایتی ساکنان و شکایت های حقوقی شود و در سایت های صنعتی نیز ارتعاش مداوم و کنترل نشده باعث فرسایش قطعات، خرابی زودهنگام بیرینگ ها و حتی ترک سازه می گردد. به همین دلیل، بررسی صدا و ارتعاش در برج‌های خنک‌کننده از مراحل اولیه طراحی و جانمایی تا برنامه های نگهداری دوره ای، اهمیت مهندسی ویژه ای دارد.
حل معضل نویز و تکان های مکانیکی بدون شناخت دقیق سرچشمه های آن امکان پذیر نیست. بسیاری از کارفرمایان تصور می کنند تعویض فن یا استفاده از یک سایلنسر ساده تمام مشکلات آکوستیکی را برطرف می کند، در حالی که مسیر انتشار امواج صوتی و نوسانات مکانیکی در سازه پیچیده تر از این فرضیات است. یک عیب یابی جامع نیازمند تفکیک منابع هوابرد از منابع سازه ای و تحلیل رفتار ارتعاشی هر یک از اجزا در فرکانس های کاری مختلف است.
منابع اصلی تولید صدا در برج های خنک کننده
صدای خروجی از یک برج ناشی از یک عامل منفرد نیست، بلکه حاصل برهم نهی چند منبع مکانیکی و هیدرولیکی مختلف است. برای شناخت دقیق رفتار صوتی، باید این عوامل را به صورت مجزا تفکیک و ارزیابی کرد:
نویز هوادهی و چرخش پره فن
مهم ترین و بارزترین بخش صوت در فرکانس های پایین و متوسط ناشی از حرکت دورانی پره های فن در برابر توده هوا است. این صدا شامل دو بخش تلاطمی و پهن باند ناشی از گردابه های نوک پره و صدای فرکانس گذر پره است. صدای گذر پره که به صورت یک هارمونیک مشخص شنیده می شود، از حاصل ضرب دور فن در تعداد پره ها به دست می آید. هر چه سرعت خطی نوک پره بیشتر باشد و مقاومت استاتیکی پکینگ ها یا ورودی های هوا بالاتر رود، تلاطم جریان تشدید شده و میزان فشار صوت افزایش می یابد. به طور کلی سرعت دورانی بالاتر پروانه ها، بارزترین دلیل انتشار صدای آزاردهنده در فواصل دور محسوب می شود.
صدای ناشی از ریزش و برخورد آب
در برجهایی با سیستم جریان متقاطع یا جریان مخالف، هزاران لیتر آب در هر دقیقه از نازل ها یا سینی های توزیع فرو می ریزد و پس از عبور از پکینگ، به سطح آب درون تشتک برخورد می کند. این برخورد قطرات با سطح آب آزاد باعث تولید صدایی یکنواخت با فرکانس های متوسط تا بالا می شود که در محدوده نزدیک دستگاه تسلط دارد. در پروژه های ساختمانی که فاصله پنجره های طبقات بالا تا پشت بام کم است، این نویز پاشش آب حتی در دورهای پایین فن نیز به صورت واضح و گوش خراش شنیده می شود.
تجهیزات محرک شامل الکتروموتور، پولی تسمه و گیربکس
الکتروموتورها و سیستم های انتقال قدرت نقش مهمی در تولید نویز مکانیکی ایفا می کنند. در سیستم های انتقال قدرت تسمه ای، لغزش تسمه روی پولی، فرسودگی شیارها یا همراستا نبودن محورها صدای زوزه مانندی ایجاد می کند. در سیستم های مجهز به گیربکس، درگیری چرخدنده ها به ویژه در بارهای متغیر و در صورت نامناسب بودن روانکاری، صدایی مداوم و تیز تولید می نماید که اغلب در سازه زیرین برج نیز پخش می شود. فرسودگی بلبرینگ ها در هر دو بخش موتور و جعبه دنده، صدای تق تق یا غرش یکنواختی را اضافه می کند که فرکانس آن مستقیما با عیوب مکانیکی مطابقت دارد.
مکانیسم ارتعاش و مسیر انتقال آن به سازه
ارتعاش با نویز تفاوت ماهوی دارد اما همبستگی تنگاتنگی با آن دارد. نویز موجی است که در هوا منتشر می شود، در حالی که ارتعاش یک نوسان مکانیکی است که درون بدنه تجهیز، پایه ها و سازه بتنی یا فلزی ساختمان هدایت می گردد. در این میان، بررسی صدا و ارتعاش در برج‌های خنک‌کننده بدون تحلیل نحوه انتقال این تنش ها به سازه ساختمان ناقص خواهد بود. ارتعاش از طرق مختلفی می تواند بر پایداری سیستم اثر منفی بگذارد:
نامتعادلی و ناهمراستایی محورها
هرگونه بالانس نبودن دینامیکی در پره های فن باعث ایجاد نیروی گریز از مرکز نوسانی با فرکانس یک برابر دور دوران می شود. پروانه های بزرگ فایبرگلاس یا آلومینیومی در اثر تجمع رسوب، کثیفی، تغییر شکل ناشی از تنش حرارتی یا آسیب دیدگی موضعی دچار برهم خوردن بالانس می شوند. این نیرو به صورت ضربه های متوالی به بیرینگ ها و در نهایت به پایه نگهدارنده شاسی وارد شده و کل شاسی موتور و برج را به لرزه درمی آورد. ناهمراستایی شفت موتور با گیربکس یا کوپلینگ نیز نیروهای متناوبی در فرکانس های یک و دو برابر دور اعمال می کند.
پدیده تشدید و فرکانس طبیعی سازه
خطرناک ترین حالت ارتعاشی زمانی رخ می دهد که فرکانس چرخش فن یا یکی از هارمونیک های آن با فرکانس طبیعی تیرهای حمال یا سازه نگهدارنده برج یکسان شود. در این وضعیت، پدیده تشدید یا رزونانس شکل می گیرد و دامنه ارتعاش چندین برابر دامنه معمول می شود. این پدیده می تواند در مدت زمانی کوتاه به شکستن لوله های متصل، شل شدن پیچ و مهره های شاسی، ترک خوردگی تشتک کامپوزیتی و آسیب جدی به سازه سقف منجر گردد. برای پیشگیری از این رویداد، طراحان سازه باید فرکانس طبیعی نشیمنگاه برج را به اندازه ای انتخاب کنند که حداقل بیست تا بیست و پنج درصد بالاتر یا پایین تر از دور کاری فن باشد.
تاثیر شرایط کاری و بازی عملکردی بر آکوستیک
یکی از جنبه های مهم در تحلیل های دینامیکی و صوتی، توجه به شرایط واقعی کارکرد دستگاه است. تغییر در پارامترهای حرارتی و هیدرولیکی، بازی دمایی دستگاه یعنی اختلاف دمای آب گرم ورودی با آب خروجی و همچنین میزان اپروچ به حباب مرطوب، مستقیما نوع بهره برداری از فن ها را تغییر می دهد.
وقتی بار حرارتی به هر دلیلی بالا رود یا پکینگ ها به خاطر رسوب دچار افت راندمان شوند، اپروچ دستگاه افزایش می یابد. برای جبران این افت ظرفیت و حفظ دمای خروجی مدنظر، بهره بردار ناچار است فن ها را در حداکثر دور ممکن فعال نگه دارد. کارکرد مداوم در ماکزیمم دور، هم فشار هوای خروجی را تشدید می کند و هم نویز آکوستیکی را در اوج نگه می دارد. در مقابل، تنظیم بهینه دبی آب و اصلاح توزیع حرارتی باعث می شود دستگاه در شرایط نامی خنک سازی پایدار بماند و نیازی به فشار کاری نامتعارف روی پروانه ها نباشد. بنابراین ارزیابی پارامترهای پایشی از اصول بنیادی در بررسی صدا و ارتعاش در برج‌های خنک‌کننده به شمار می رود، چرا که نارسایی حرارتی فورا به رفتارهای نامطلوب مکانیکی دامن می زند.
روش های پایش وضعیت و اندازه گیری
برای اتخاذ راهکار مهندسی، داده های تجربی و اندازه گیری دقیق میدانی الزامی است. اندازه گیری صوت معمولا به کمک صداسنج های استاندارد در شبکه های وزنی آ و سی و در فواصل معین از ورودی و خروجی برج انجام می گیرد. ثبت تراز فشار صوت در فواصل یک، پنج و ده متری، به مهندسان امکان می دهد منحنی انتشار نویز در محیط پیرامونی را شبیه سازی کنند.
در بخش ارتعاش، از شتاب سنج های پیزوالکتریک متصل به تحلیل گرهای طیف فوریه استفاده می شود. سنسورها باید روی یاتاقان های موتور، یاتاقان شفت فن و پوسته گیربکس در سه جهت افقی، عمودی و محوری نصب شوند. تحلیل طیف ارتعاشی به اپراتور اجازه می دهد منبع لرزش را تفکیک کند؛ برای نمونه، پیک نوسان در فرکانس دور فن نشان دهنده نامتعادلی جرمی است، در حالی که پیک های با فرکانس بالاتر عموما نشانگر عیوب سطح ساچمه ها و رینگ های داخلی یا خارجی بیرینگ است. بدون استفاده از تجهیزات داده برداری دقیق، بررسی صدا و ارتعاش در برج‌های خنک‌کننده صرفا در حد حدس و گمان های کارگاهی باقی می ماند و ممکن است هزینه های بی دلیلی را برای تعمیرات غیرضروری تحمیل کند.
راهکارهای کاهش و کنترل صدا
روش های کنترل نویز بسته به اولویت اقتصادی و مشخصات فنی پروژه به راهکارهای فعال و غیرفعال تقسیم می شوند:
اصلاح مشخصات پروانه و استفاده از فن های کم صدا
نخستین و موثرترین روش کنترل صدا در مبدا، کاهش سرعت خطی نوک پروانه است. با افزایش تعداد پره ها و استفاده از پروفیل های ایرفویل بهینه با انحنای ویژه، می توان دبی هوای لازم را با دور کمتری از پروانه تامین کرد. استفاده از پره های عریض کامپوزیتی با مقطع بهینه به نام فن های با نویز فوق العاده کم می تواند تراز صوت خروجی برج را بدون افت محسوس دبی هوا، بین پنج تا دوازده دسی بل کاهش دهد.
نصب اینورتر و مدیریت دور متغیر
نصب سیستم های محرک دور متغیر یا اینورتر به سامانه کنترل اجازه می دهد در ساعات خنک تر شبانه یا روزهایی که بار حرارتی کمتر است، سرعت فن را کاهش دهد. با توجه به اینکه توان صوتی با توان های بالای سرعت پروانه نسبت مستقیم دارد، حتی بیست درصد کاهش در دور فن می تواند صدای مزاحم را در ساعات استراحت ساکنان به طور چشمگیری افت دهد. از این منظر، سیستم های دور متغیر هم زمان مصرف برق و انتشار نویز را مهار می کنند.
مهار صدای ریزش آب در تشتک
برای مهار صدای برخورد قطرات آب با تشتک، روش های متنوعی وجود دارد. استفاده از توری های معلق ضد نویز یا تشک های متخلخل پلاستیکی روی سطح آب تشتک مانع از برخورد مستقیم قطره با آب راکد می شود و این جزء از نویز را تا هشت دسی بل کاهش می دهد. در برج های جریان متقاطع نیز طراحی بهینه شیب پکینگ ها می تواند آب را بدون سقوط مستقیم از ارتفاع، به آرامی به سمت تشتک هدایت کند.
سایلنسرها، دیواره های آکوستیک و عایق کاری
در صورتی که کاهش نویز در مبدا کافی نباشد، استفاده از مسیرهای جذب صوت ضروری است. دیواره های مانع صوتی با هسته پشم سنگ در اطراف دهانه ورودی هوا نصب می شوند تا از خط دید مستقیم بین تجهیز و پنجره ساختمان های مجاور جلوگیری کنند. در قسمت خروجی فن نیز می توان از سایلنسرهای استوانه ای مجهز به پره های موازی جاذب استفاده کرد. این تجهیزات باید به گونه ای مهندسی شوند که افت فشار استاتیکی زیادی به فن تحمیل نکنند؛ در غیر این صورت، هوادهی برج افت کرده و ظرفیت برودتی تحت تاثیر قرار می گیرد.
راهکارهای مهار و ایزولاسیون ارتعاش
برای اینکه تکان های متناوب فن و موتور به ساختار ساختمان سرایت نکند، باید از سیستم های تعلیق مکانیکی استفاده شود:
انتخاب و نصب لرزه گیرهای فنری
لرزه گیرهای الاستومری برای ایزوله سازی ارتعاشات با فرکانس های بسیار بالا مناسب هستند، اما برای فرکانس پایین دوران فن های بزرگ برج خنک کننده، استفاده از لرزه گیرهای فنری با خیز استاتیکی مناسب الزامی است. این لرزه گیرها معمولا زیر شاسی اصلی قرار می گیرند و باید بر اساس توزیع وزن دستگاه در حالت پر از آب محاسبه شوند. سفتی فنرها باید به گونه ای تنظیم شود که راندمان ایزولاسیون سازه حداقل به بالای نود درصد برسد و خطر هم ارتعاشی در دورهای کاری از بین برود.
اتصالات انعطاف پذیر در خطوط لوله کشی
آب گردشی از طریق لوله های فلزی با اقطار بالا به برج منتقل می شود. اگر لوله ها به صورت صلب به پمپ ها و بدنه تشتک یا کلکتور وصل شوند، مانند یک هادی ارتعاش عمل کرده و امواج مکانیکی را به تمام طبقات و فضاهای داخلی انتقال می دهند. استفاده از اتصالات انعطاف پذیر لاستیکی یا آکاردئونی مهاردار در دهانه های ورودی و خروجی، شکست ارتعاشی موثری ایجاد می کند و از خستگی اتصالات لوله کشی جلوگیری می نماید.
الزامات برنامه نگهداری پیشگیرانه
بسیاری از معضلات صوتی و لرزشی با گذشت زمان و به دلیل افت کیفیت قطعات شکل می گیرند. بنابراین تدوین یک برنامه بازرسی پیوسته بهترین رویکرد برای پیشگیری است. برنامه مدون پایش شامل موارد زیر است:
– بررسی چشمی ماهانه پره های فن جهت اطمینان از عدم ترک خوردگی، انباشت رسوبات یا دفرمه شدن
– کنترل کشش تسمه ها و همراستایی دقیق پولی ها به صورت فصلی برای پیشگیری از نویز تسمه
– روانکاری دقیق و به موقع یاتاقان ها و گیربکس با استفاده از روانکارهای با گرانروی مشخص شده توسط سازنده
– اندازه گیری فصلی دامنه سرعت ارتعاش بر حسب میلی متر بر ثانیه روی هوزینگ بیرینگ ها
– بازرسی و تنظیم مجدد خیز لرزه گیرهای فنری و مطمئن شدن از عدم کف خواب شدن فنرها
– تمیزکاری نازل ها و اطمینان از پخش یکنواخت آب به منظور حفظ تعادل هیدرولیکی
جمع بندی
صدا و لرزش در سیستم های سرمایش تبخیری پدیده هایی نامطلوب اما قابل کنترل هستند. همان طور که اشاره شد، بررسی صدا و ارتعاش در برج‌های خنک‌کننده مستلزم ارزیابی چندجانبه هوادهی، هیدرولیک، دینامیک روتور و پاسخ مکانیکی سازه های نگهدارنده است. با بهره گیری از پروانه های کم صدا با مقطع هوانوردی، استفاده از درایوهای دور متغیر، نصب لرزه گیرهای مهندسی شده، مهار نویز پاشش آب و اجرای منظم پایش وضعیت ارتعاشی، می توان دستگاه را بدون ایجاد تنش های سازه ای یا آلودگی های صوتی در بالاترین راندمان عملیاتی نگه داشت. هماهنگی میان مهندس طراح تاسیسات، مهندس سازه و تیم نگهداری، ضامن حفظ آرامش ساکنان و بقای طولانی مدت تجهیزات خواهد بود.
سوالات متداول
تفاوت اصلی نویز فن با نویز ریزش آب در چیست و کدام یک مسافت دورتری را طی می کند؟
نویز فن عمدتا ماهیت فرکانس پایین و متوسط دارد، در حالی که صدای ریزش آب ناشی از برخورد قطرات، دارای فرکانس متوسط تا بالا است. فرکانس های پایین تولید شده توسط فن در برابر جذب هوا مقاومت بیشتری دارند و می توانند در فواصل دورتر و از پشت موانع نیز شنیده شوند، در حالی که نویز پاشش آب بیشتر در فواصل نزدیک به برج آزاردهنده است.
استفاده از اینورتر تا چه میزان می تواند صدای برج را کاهش دهد؟
با توجه به قوانین آکوستیک فن، توان صوت متناسب با توان پنجم تا هفتم سرعت دوران کاهش می یابد. بنابراین کاهش بیست درصدی در دور موتور می تواند تراز صوت را بین پنج تا هشت دسی بل کاهش دهد که از دید شنوایی انسان، کاهشی بسیار چشمگیر و قابل توجه به حساب می آید.
چرا استفاده از لرزه گیر لاستیکی به تنهایی برای ارتعاش فن برج های بزرگ کافی نیست؟
فن برج های خنک کننده معمولا با دورهای پایین بین صد تا پانصد دور بر دقیقه کار می کنند که فرکانس ارتعاشی پایینی را تشکیل می دهد. لرزه گیرهای لاستیکی صلبیت نسبتا بالایی دارند و برای ایزوله کردن فرکانس های پایین خیز کافی ندارند. برای این تجهیزات حتما باید از لرزه گیرهای فنری با ضریب انعطاف پذیری مناسب استفاده کرد تا از تشدید سازه ای جلوگیری شود.
چه عواملی باعث خارج شدن ناگهانی پره های فن از حالت بالانس دینامیکی می شوند؟
تجمع نامتقارن گل و لای، رسوب املاح آب بر اثر نشتی قطره گیرها، برخورد اجسام خارجی، ترک خوردگی در ریشه پره و تاب برداشتن پره های کامپوزیتی در اثر تابش شدید آفتاب و حرارت از متداول ترین دلایل برهم خوردن بالانس و افزایش یکباره ارتعاش دستگاه هستند.
