تبخیر آب در برج خنک کننده چیست؟
تبخیر آب در برج خنک کننده (Evaporation)، مقدار آبی است که درهنگام فعالیت کولینگ تاور تبخیر و به صورت بخار آب از دستگاه خارج میشود. برجهای خنک کننده، دستگاههای تبخیری هستند؛ یعنی عملکرد این دستگاه بر اساس تبخیر آب است.
این دستگاه سطح تماس و زمان تماس بیشتر میان آب و هوا ایجاد میکند که موجب کاهش دمای آب میشود. میزان تبخیر آب ارتباط مستقیم با توان خنک کاری دستگاه دارد. هر چه دستگاه ابعاد بزرگتر و تناژ بیشتری داشته باشد، میزان تبخیر صورت گرفته بسیار بیشتر خواهد بود.
در ادامه این مقاله از سایت سازنده برج خنک کننده کارا فناور اطلس پارسی، درباره تبخیر آب در برجهای خنک کننده و عوامل موثر در این فرایند، نحوه محاسبه میزان تبخیر آب در کولینگ تاور مطالبی را بیان می کنیم.
تبخیر آب در کولینگ تاور
مسئله ای که همیشه در تمامی مراحل ابتدایی علم مکانیک سیالات تاکنون در تاسیسات و تهویه و تبرید با آن روبرو هستیم و تا امروز نیز شاید به صورت اساسی رفع نشده است، مسئله تبخیر آب برج خنک کننده و در کنار آن هدر رفت آب در برجهای خنک کننده و سایر تولیدات این صنعت است؛ به گونهای که بسیاری از کارفرمایان که در سالهای دور و نزدیک خریدار این دستگاهها بودهاند، از هدر رفت آب و هزینههای بالای قبوض گلایه دارند. اما باید به این نکته توجه داشته باشیم که حتی اگر هزینه هدر رفت آب چه به صورت بخار شدن و یا به صورت پاشش آب به بیرون از برج بدلیل کارکردهای مختلف (سرعت بالای فن – لوورهای معیوب – ساختار بد دستگاه – تراز نبودن دستگاه و …) به کمترین حالت هم برسد باز هیچ گاه به صفر نخواهد رسید.
تبخیر، همان طور که از نام آن مشخص است، یعنی تبدیل شدن مایع (عمدتاً آب) به گاز (عمدتاً بخار آب). این فرآیند شیمیایی زمانی رخ میدهد که دمای آب در اتمسفر (14.5 فشار در اینچ مربع) به 100 درجه سانتیگراد برسد. پس نکتهای که مشخص شد این است که اگر فشار ستونی هوا روی آب (یا هر محصول دیگری) از فشار جو زمین به هر اندازه کمتر شود، دمای تبخیر آب به سمت صفر درجه سانتیگراد میگراید، یعنی اگر فشار اتمسفر از 1 به 0.5 برسد، پر واضح است که آب در 50 درجه سانتیگراد به جوش میآید (تبخیر میشود).
یکی دیگر از مسائلی که کمی از این بحث متفاوت است، این موضوع میباشد که باد (وزش باد) در تبخیر آب بی تاثیر نیست. برای مثال اگر آب را در دمای 23 درجه سانتیگراد و فشار جوی ثابت بدون وزش باد قرار دهیم و در طرفی همین شرایط را با وزش باد در نظر بگیریم، خواهیم دید که در مدت زمان یکسان آن ظرفی که هوا بر آن جریان داشته است کمی سطح کمتری پیدا کرده و این یک فرایند فیزیکی – شیمیایی است (فرآیندی که در برجهای خنک کننده به وفور به چشم میخورد).
محاسبه مقدار تبخیر آب در برج خنک کننده
در محاسبه گر میزان تبخیر آب که در پایین آورده شده است، میتوان به صورت آنلاین مقدار تبخیر آب در برج خنک کننده در واحد زمان برای گرمترین روز تابستان در شهر مورد نظر را بدست آورد.
مکانیزم تبخیر آب در برج خنک کننده
تبخیر فقط از سطح آب انجام میشود و در هر دمایی صورت میگیرد. هر چه دمای آب بالاتر باشد و سطح آب گستردهتر باشد، میزان تبخیر آب نیز بیشتر خواهد شد. وقتی مولکولهای سطح آب انرژی لازم را کسب کنند، میتوانند از سطح آب جدا شده و به شکل گاز وارد هوا شوند. هنگامی که این تبخیر انجام شود، با توجه به انرژی که از آب گرفته شده است، میزان دمای مابقی آب که به صورت سیال است کاهش مییابد. به این پدیده سرمایش تبخیری (Evaporative Cooling) گویند و این همان چیزی است که در کولینگ تاور مورد استفاده قرار میگیرد.
میزان تبخیر آب در برج خنک کننده
میزان تبخیر آب در برج خنک کننده تحت تاثیر عوامل مختلفی قرار دارد؛ در حالت کلی، هر تن تبرید برج خنک کننده، معادل 3.5 گالن بر دقیقه (یا 13.2 لیتر بر ساعت) آب را تبخیر میکند. البته این مقدار، تقریبی بوده و با توجه به شرایط محیطی و نوع برج خنک کننده، متغیر است.
عوامل موثر در تبخیر آب در برج خنک کننده
عوامل تأثیرگزار بر تبخیر آب از سطح عبارتند از:
- میزان جریان عبوری از سطح آب (جریان هوا)
هر چه میزان جریانی که از مولکولهای آب که به صورت اسپری به روی پکینگها پاشش می شود بیشتر باشد، قطعاً جدا شدن این ذرات از یکدیگر بیشتر میگردد. اما این بدان معنی نیست که تبخیر شده است این موضوع دقیقا هدر رفت آب است. پس انتخاب فن و الکتروفن مناسب در زمان تولید دستگاه بسیار مهم است. بطور خلاصه باید گفت که افزایش جریان هوا، سطح تماس آب و هوا را بیشتر کرده و در نهایت باعث افزایش میزان تبخیر می شود. - نوع جریان هوا در برج
در برجهای خنک کننده صنعتی بزرگ نسبت به برجهای کوچکتر و مسکونی سطح تماس هوا با آب (آب در حال ریزش روی پکینگ) بسیار بیشتر است. پس این که حجم هوای عبوری از روی آب چقدر باشد، رابطه مستقیم با هدر رفت آب یا به اصطلاح همان تبخیر (تغییر فاز) دارد. - مقدار جریان هوا
اگر جریان هوای تازه (غیر اشباع) بروی سطح آب وجود داشته باشد، میزان تبخیر افزایش یافته و لایه مرزی نفوذ بخار آب در سیال کاهش مییابد. - سطح تماس
هر چه سطح تماس آب با هوا بیشتر باشد، میزان تبخیر افزایش خواهد یافت. - دمای آب
اگر دمای آب، بالای 37 درجه سانتیگراد باشد، به ازای هر یک درجه میزان تبخیر نیز افزایش خواهد یافت. بنابراین هر چه دمای آب ورودی به برج خنک کننده بالاتر باشد، میزان تبخیر نیز بیشتر خواهد بود.
در بدن انسان که دمای معمولی (تعریف شده در شرایط نرمال) 37 درجه سانتیگراد است، هر چه قدر میزان تحرک و تعریق بیشتر شود، دمای بدن افزایش نمییابد. مثلاً اگر شما یک مسیر را با سرعت ثابت (30 کیلومتر در ساعت) طی کنید، میزان افزایش دمای سطح پوست شاید 1 الی 2 درجه افزایش یاید؛ اما اگر سرعت را بیشتر کنید (40 کیلومتر در ساعت) بدن شروع به عرق کردن میکند (تبخیر سطحی) که این موضوع باز رابطهای با دمای 37 درجه بدن ندارد.
بنابراین با این مثال به این موضوع پی میبریم که اگر دمای ورودی به یک برج مثلا 40 درجه سانتیگراد باشد و نیاز داشته باشیم که سرعت عبور هوا از سطح آب در حال ریزش به روی پکینگ را افزایش دهیم، باید سطح پکینگ را کنترل کنیم (پوست بدن)؛ یعنی با کم کردن گام در ورقهای پکینگ سرعت عبور آب در یک بازه زمانی را کاهش دهیم تا زمان بیشتر بابت گرفتن گرما در برج به وجود آید و تبخیر یا همان گرفتن گرما رخ دهد تا به درجه ای که نیاز است بابت برگشت به سیکل کاری برسیم.
در نتیجه باید گفت که هر چه دمای سیال آب بالاتر باشد، میزان انرژی جنبشی آب بالاتر است و در نتیجه مولکولها راحت تر از سطح سیال جدا شده و تبخیر میشوند (دمای مرطوب شهرهای ایران). - نوع برج خنک کننده
انواع برج خنک کننده با طراحیهای مختلف، مقادیر تبخیر متفاوتی دارند. - نوع پکینگ (مواد پر کننده)
پکینگ های مختلف، باعث تغییر در سطح تماس آب و هوا شده و در نتیجه میزان تبخیر را تحت تأثیر قرار میدهند. - میزان اشباع بودن هوا
هر چقدر میزان اشباع بودن هوا از بخار آب کمتر باشد، تبخیر راحت تر صورت میگیرد. به عبارتی میزان دمای مرطوب محیط اگر کمتر باشد، تبخیر بیشتر و آسان تر اتفاق میافتد. - رطوبت هوا
با بالا رفتن میزان رطوبت هوا، ظرفیت هوا برای جذب بخار آب نیز کاهش یافته و در نتیجه میزان تبخیر آب در برج خنک کننده نیز کمتر میشود. - هوای اشباع در منطقه
رطوبت هوای اشباع به دو صورت تعریف میشود؛ همیشه هوای اشباع با رطوبت مطلق یا هوای اشباع با رطوبت نسبی همدیگر ار پوشش میدهند. مثلا در هوای شرجی که نسبت دمای خشک به دمای مرطوب پایین است ما کمترین میزان تبخیر را داریم.
برای این که موضوع کمی روشن شود، همیشه مشکل خشک شدن لباس های شسته شده در شمال یا جنوب کشور وجود دارد. زیرا بخار آب موجود در هوا (که گاهی به 90 درصد میرسد) اجازه تبخیر آب از سطح لباسهای شسته شده و خشک شدن (رسیدن به دمای خشک) را نمیدهد. پس اگر رطوبت در هوا به حالت اشباع (نزدیک به مطلق) در آید تبخیر کم میشود. همین موضوع نیز باعث میشود که در منطقههای شمالی یا جنوبی کشور، برجهای خنک کننده کاربرد نداشته باشد یا اگر هم داشته باشد با 50 تا 70 درصد بالای ظرفیت تعریف شده در نظر گرفته شود که اصلاً عملی مهندسی و معقول نیست (در این مناطق از برجهای هوا خنک یا همان ایرکولینگ) استفاده میشود که سیکل مبرد مستقیم وارد کندانسور شده و اصلا آب در این سیکل بابت خنک کاری دخیل نیست).
{چیلرهای دو پارچه هوایی} – {اسپلیتهای دیواری} – {کولرهای پنجرهای}
فرمول هدر رفت آب
M = E + D + B
فرمول بالا به این معنی است که مجموع هدر رفت آب به سه شکل صورت میگیرد:
{مجموع = تبخیر آب بر حسب متر مکعب E + پرتاب آب بر حسب متر مکعب D + زیرآب بر حسب متر مکعب B}
- تبخیر تعریفهای مختلفی دارد که یکی از آنها دمای آب ورودی است که هرچه بیشتر باشد، در فشار اتمسفر ثابت بخار جدا شده از سطح آن افزایش مییابد.
- پرتاب آب نیز بستگی به یکسری المانهایی دارد. مثلاً اگر عمر مفید برج رو به اتمام باشد و اقدام به اورهال در سیستم نکنیم، بدلیل خرابیهای به وجود آمده (فن، بدنه، درزها، تشتک و…) پرتاب آب بیشتر شده و این خود باعث آب میکاپ یا جبرانی و در نهایت هزینه مصرف آب را بالا خواهد برد.
- زیرآب یا بلودان یک اصطلاح در این سیستم است. به این معنی که وقتی تبخیر از سطح آب (به عنوان محلول غالب در برج) بیش از حد باشد، میزان توازن آب و املاح موجود در آب بر هم میخورد. پس حالت رقیق آب متمایل به حالت غلیظ میگردد و املاح (عمدتاً نمک) از تبخیر و کاهش دما جلوگیری میکند، برای جبران این موضوع باید هر چند وقت یکبار (بسته به میزان بلودان و غلظت آب) آب را از شیرهای ورودی به برج وارد و آب موجود و غلیظ شده را خارج کرد که به این کار آب جبرانی میگوییم که میزان آن نیم درصد نسبت به آب کل در سیستم است که باز بسته به شرایط تفاوت میکند.
میزان تبخیر آب در برج خنک کننده با استفاده از اصول بالا، به دلیل وجود فن، هوا به جریان در آمده و همزمان در قسمت پکینگها سطح گسترده میان آب و هوا بوجود میآید. در کولینگ تاور با افزایش جریان هوا، سطح تماس و زمان تماس مقدار تبخیر آب را افزایش میدهیم.
تبخیر آب در برج خنک کننده به مقدار زیاد انجام میشود و در حقیقت اساس کارکرد کولینگ تاور است. این آب با گرفتن گرمای نهان و تبخیر، خنک شدن مابقی آب موجود در سیستم را باعث میشود. مقدار گرمای مورد نیاز جهت تبخیر آب برابر 2260 کیلو ژول بر کیلوگرم یا 40.8 کیلو ژول بر مول آب است. یعنی اگر یک لیتر آب (یک کیلوگرم) در برج خنک کن تبخیر شود، به میزان 2260 کیلو ژول گرما از آب دریافت کرده و به اتمسفر وارد میکند.
محاسبه میزان تبخیر آب برج خنک کننده
برای محاسبه دقیق مقدار تبخیر، میتوان از فرمولهای ویژه ای استفاده کرد که اغلب در کاتالوگ برج های خنک کننده ساخته شده، ارائه میشوند. به عنوان مثال، فرمول زیر برای محاسبه میزان آب تبخیر شده در کولینگ تاور است:
E = 0.0015 × R × C
که در فرمول مذکور:
|
E: میزان تبخیر آب برج خنک کننده بر حسب متر مکعب بر ساعت است. R: اختلاف دمای آب ورودی و خروجی برج خنک کننده بر حسب درجه سانتیگراد است. C: حجم آب در گردش برج خنک کننده بر حسب متر مکعب بر ساعت است. |
میزان مصرف آب در برج خنک کننده
مصرف آب در برج خنک کن محدود به تبخیر نیست و شامل مجموع تبخیر، پرتاب و بلودان است. البته تبخیر، فرایندی است که بیشترین مصرف آب در کولینگ تاور را شامل میشود. تعیین مقدار بلودان با توجه به طراحی عملیات آبی است و در اختیار کاربر است (محاسبه مصرف آب برج خنک کننده).
M=E+D+B
M=Make up water m3/hr (آب جبرانی)
E=Evaporation loss m3/hr (تبخیر)
D=Drift loss m3/hr (پرتاب آب)
B=Blow down m3/hr (بلودان)
سخن آخر
با توجه به مطالب گفته شده در این مقاله، نکات مهم زیر قابل برداشت هستند:
- میزان تبخیر آب در برج خنک کننده، نقش مهمی در مقدار مصرف آب دارد، بنابراین به این موضوع باید به دقت توجه کرد.
- با افزایش میزان تبخیر، هدر رفت آب از سیستم برج خنک کننده افزایش مییابد و به دنبال آن نیز، نیاز به تامین آب جبرانی افزایش مییابد.
- در بعضی از سیستمها، میزان آب تبخیر شده به صورت 1 درصد از دبی کل در گردش آب در نظر گرفته میشود.
- مقدار تبخیر آب در برج خنک کننده، در فصل تابستان و در شرایط دمایی اوج گرما بیشتر است و در طول سال و میانگین تبخیر 12 ماه عدد بهدست آمده برای میزان تبخیر آب کولینگ تاور کمتر خواهد بود.
جهت مطالعه بیشتر در مورد تبخیر آب از سطح در کولینگ تاور به بخش مقالات سایت بادران تهویه صنعت و مطالب “محاسبه آب جبرانی برج خنک کن“ و “کاهش مصرف آب برج خنک کننده“ مراجعه فرمایید.
