انواع برج های خنک کننده

• انواع برج های خنک کننده

سیستم های خنک کننده به دو دسته تقسیم می شوند:

2-1: سیستم های یک بار گذر

2-2: سیستم های گردشی

2-2: سیستم های گردشی

2-2-1: سیستم خنک کننده خشک

2-2-2: سیستم خنک کننده تر

2-2-3 : سیستم خنک کننده ترکیبی

2-2-1: سیستم خنک کننده خشک

2-2-1-1 : سیستم مستقیم

2-2-1-2: سیستم غیر مستقیم

2-2-1-2 : سیستم غیر مستقیم

2-2-1-2-1: برج خنک کننده با کشش مکانیکی

2-2-1-2-2: برج خنک کننده با کشش طبیعی

2-2-2 : سیستم خنک کننده تر

2-2-2-1: برج خنک کننده با کشش طبیعی

2-2-2-2: برج خنک کننده با کشش مکانیکی

2-2-2-2: برج خنک کننده با کشش مکانیکی

2-2-2-2-1: برج خنک کننده با فن دمنده

2-2-2-2-2: برج خنک کننده با فن مکنده

2-2-1-2-2: برج خنک کننده با کشش طبیعی

2-2-1-2-2-1: برج خنک کننده با کشش معمولی

2-2-1-2-2-2: برج خنک کننده با کشش تنوره ای

2-2-2-2-2- : برج خنک کننده با فن مکنده

2-2-2-2-2-1: برج خنک کننده با جریان متقابل

2-2-2-2-2-2: برج خنک کننده با جریان متقاطع

2-1: سیستم های خنک کننده یک بار گذر

اینگونه از سیستم های خنک کننده برای سرد سازی آب گرم برگشتی در مجتمع هایی که در کنار دریا واقع شده اند مورد استفاده قرار می گیرند.

در این سیستم ها آب از یک طرف وارد مبدل های حرارتی شده و از طرف دیگر مبدل خارج می شود، بدون اینکه مجدداً دوباره به گردش درآید. چون آب در این سیستم ها تغلیظ نمی شود لذا رسوب به مقدار زیاد تشکیل نمی گردد

: سیستم های گردشی

2-2-1: برج های خنک کننده خشک

در یک سیستم خنک کننده خشک، برای خنک کردن سیال داغ از هوا به عنوان سیال خنک کننده استفاده می شود. در اینگونه سیستم ها سیال خنک کننده که هوا می باشد با سیال داغ که بایستی خنک شود تماس مستقیم ندارد. بدین صورت که سیال داغ که ممکن است آب داغ و یا بخار باشد از داخل یک سری لوله پره دار عبور داده می شود و با عبور جریان هوا از روی این لوله ها، خنک سازی صورت می گیرد. عبور هوا از روی این لوله ها، ممکن است بصورت طبیعی و یا اجباری توسط یک سری فن انجام شود. در صورتیکه هوا بصورت اجباری و با کمک فن از روی لوله ها جریان یابد این عمل به دو صورت فن دمنده و یا فن مکنده می باشد. از آنجائیکه در سیستم های خنک کننده خشک از هوا به عنوان سیال خنک کننده استفاده می ود بر خلاف سیستم های خنک کننده تر، احتیاجی به دسترسی به منابع آبی نمی باشد، پس در مناطقی که با کمبود آب روبرو هستند و یا هزینه آب بالاست استفاده از سیستم های خشک مقرون به صرفه می باشد.

مکانیسم خنک سازی در سیستم های خشک همانند مبدلهای حرارتی است، یعنی انتقال حرارت به طریق جابجایی، باعث خنک شدن سیال داغ می شود، بر خلاف سیست هایی که عامل اصلی خنک سازی در آنها پدیده تبخیر است. پس حداقل دمایی که در خنک سازی برای سیال سرد می توان به آن دست یافت دمای حباب خشک محیط است نه دمای حباب مرطوب. همان طور که می دانیم در اکثر موارد، دمای حباب خشک بیشتر از دمای حباب مرطوب است، پس بازدهی یک برج خشک به خصوص در روزهای گرم که دمای هوای محیط بالاست، نسبت به یک برج مرطوب کمتر است.

برج خنک کننده خشک:

: برج خنک کننده خشک مستقیم

یکی از بیشترین موارد مورد استفاده در سیستم های خنک سازی خشک، روش مستقیم است که مانند رادیاتور ماشین عمل می کند. در این روش، بخار خروجی از توربین وارد یکسری لوله پره دار شده و هوا توسط فن بر روی این لوله ها دمیده   می ­شود و بخار داخل لو له ها را خنک می کند. در سیستم خنک سازی خشک مستقیم که به آن کندانسور هوایی نیز گفته می شود، مجموعه لوله هایی که بخار از داخل آن عبور می کند به شکلA قرار گرفته است و درون یک ساپورت فلزی قرار دارد. بخار خروجی از توربین به داخل مجموعه لوله ها هدایت شده و هوا نیز بر روی آنها دمیده می شود، با عبور هوا عملیات خنک سازی انجام می گیردو در نتیجه بخار کندانس شده و به مایع تبدیل می شود. این مایعات جمع آوری شده و به سیکل تولید بخار فرستاده می شود. کانالی که بخار را به سمت کندانسور هدایت می کند بایستی دارای طول کم و قطر زیاد باشد تا افت فشار را به حداقل برساند.

2-2-1-2: برج خنک کننده خشک غیر مستقیم

در روش غیر مستقیم، بخار خروجی از توربین ابتدا در داخل یک کندانسور توسط آب به عنوان سیال خنک کننده، کندانس شده و به مایع تبدیل می شود. آب گرم وارد یک سری لوله های پره دار شده و با دمیدن هوا بر روی لوله ها خنک می شود و دوباره به سیستم برگردانده می شود. چون در این سیستم ها از یک سیال واسطه که همان آب است در خنک سازی و تبدیل بخار به مایع در داخل کندانسور استفاده می شود و مستقیماً از هوا استفاده نمی شود به آن سیستم غیر مستقیم گفته    می شود. بسته به نوع کندانسور که در این قبیل سیستم ها مورد استفاده قرار می گیرد.

روش خنک سازی خشک غیر مستقیم به سه صورت انجام می پذیرد:

1- سیستم خنک کننده خشک غیر مستقیم با استفاده از کندانسور سطحی

2- سیستم خنک کننده خشک غیر مستقیم با استفاده از کندانسور پاششی

3- سیستم خنک کننده خشک غیر مستقیم با استفاده از سیال خنک کننده آمونیاک

در این روش که کنداسور سطحی استفاده می شود، بخار خروجی از توربین وارد کندانسور شده و با عبور از روی لوله های حاوی آب خنک کننده، بصورت کندانس در می آید و در اثر انتقال حرارت آب موجود درون لوله ها گرم می گردد، سپس آب گرم خروجی از کندانسور به سمت برج خنک کننده فرستاده شده و با عبور از یکسری لوله های پره دار، توسط دمیده شدن هوا بصورت طیبیعی و یا اجباری سرد می شود.

در روش دوم از کندانسور پاششی یا تماس مستقیم استفاده می شود. در این نوع، بخار خروجی از توربین وارد کندانسور شده و با آب سرد کننده مخلوط می گردد. آب سرد کننده باعث کندانس شدن بخار خروجی از توربین می شود. آب سرد کننده و بخار تقطیر شده در انتهای کندانسور جمع آوری و مقداری از آن توسط پمپ گردشی به برج خنک کننده برگردانده شده و در آنجا توسط دمیده شدن هوا سرد می شود مابقی آب هم به سمت تغذیه آب نیروگاه رفته و به سمت بویلرها برای تولید بخار فرستاده می شود.

در نوع سوم از آمونیاک به عنوان سیال خنک کننده در کندانسور استفاده می شود. مایع آمونیاک در حال اشباع وارد کندانسور شده و پس از گرفتن گرمای بخار، به بخار اشباع آمونیاک تبدیل شده و سپس وارد سیستم خنک کننده گشته و به صورت مایع در می آید و دوباره به سمت کندانسور پمپ می شود.

• مزایا
• در یک سیستم خنک کننده خشک، برای خنک سازی ازهوا استفاده می شود و نیازی به سیال سرد کننده نیست و در نتیجه میزان مصرف آب در مقایسه با سیستم های خنک کننده مرطوب بسیار کمتر است. بنابراین در مناطقی که با مشکلات کمبود آب مواجه هستند استفاده از این سیستم ها توصیه می شود.
• در کارخانجاتی که از سیستم خنک سازی خشک استفاده می کنند بدون توجه به دسترسی به منابع آبی می توان کارخانه را در هر محلی تأسیس نمود.
• قسمتهای مختلف برج خشک، قابل تعویض جزء به جزء می باشد، لذا انتخاب اجزای ارزان قیمت باعث کاهش میزان سرمایه گذاری اولیه می شود و به کمک پیشرفت سریع تکنولوژی، در دوره های کوتاه، میتوان برای تعویض اجزاء اقدام نمود.
• از آنجائیکه سیستم های خشک از آب به عنوان سیال سر کننده استفاده نمی کنند پس احتیاج به افزودن مقادیر زیاد مواد شیمیایی جهت تصفیه آب ندارند و همین طور به دوره های تمیز کاری، مانند سیستم های مرطوب نیز نیاز نمی باشد.
• سیستم های خنک کننده خشک، باعث آلودگی منابع آبی نمی گردند که این آلودگی ها در سیستم های تر شامل آلودگی شیمیایی و آلودگی حرارتی منابع آب می باشد.
• برج خنک کننده خشک، اثرات نامطلوب زیست محیطی مانند تشکیل ابر و بخارات قابل رویت که ناشی از پدیده تبرخیر در برج های خنک کننده مرطوب می باشد را ندارد.
• معایب
• در سیستم های خشک، میزان خنک سازی بر مبنای دمای حباب خشک محیط می باشد یعنی حداقل دمای سیال خنک شده به دمای حباب خشک محیط نزدیک می شود. پس از آنجائیکه دمای حباب خشک معمولاً از دمای حباب مرطوب هوا بیشتر است پس کارایی برج های خشک مخصوصاً در روزهای گرم کمتر از برج مرطوب است.
• در سیستم های خنک کننده خشک از هوا به عنوان سیال خنک کننده استفاده می شود و اساس انتقال حرارت به روش جابجایی است نه تبخیر، پس در مقایسه با سیستم های مرطوب بایستی حجم هوای بیشتری از سیستم انتقال داده شود. یعنی برج های خنک کننده خشک احتیاج به سطح انتقال حرارت بیشتری دارند لذا ابعاد آن در مقایسه با برج مرطوب بزرگتر است.
• سیستم های خنک کننده خشک معمولاً بزرگتر و از لحاظ مکانیکی پیچیده تر از سیستم مرطوب است. علاوه بر سطح انتقال حرارت بیشتر، سیستم خشک احتیاج به تعداد فن بیشتری برای عبور هوا دارد، یعنی تعداد الکتروموتور، گیربکس و شفت متحرک بیشتر می شود.
• سیستم های خشک احتیاج به سرمایه گذاری اولیه بیشتری دارند.
• برج خنک کننده با کشش طبیعی
• 

: سیستم های خنک کننده تر

2-2-2-1: برج های خنک کننده با کشش طبیعی

در این گونه از برج های خنک کننده که دارای ظاهری متفاوت از دیگر برج ها می باشد جریان هوا به علت اختلافات دانسیته بین هوای گرم خروجی و هوای خنک محیط درون استک برج ایجاد می گردد. شکل هذلولی مانند دیواره های این گونه برج ها باعث جریان روبه بالای هوا می شود که دیگر نیازی به فن نمی باشد. اینگونه برج ها علیرغم هزینه های ساخت بالای آنها برای شرایط با جریان آب گردشی250000 گالن در دقیقه و بالاتر و عموماً برای نیروگاه های تولید برق که بارهای حرارتی زیادی را دفع می نمایند مورد استفاده قرار می گیرند. در برخی موارد ارتفاع اینگونه برج ها به بالای 150 متر می رسد.

هزینه های اضافی ساخت اینگونه برج ها در مقایسه با هزینه های مربوط به فن و تجهیزات مورد نیاز و نیز هزینه های تعمیر و نگهداری آنها توجیه پذیر می باشد.

در مکان هایی که رطوبت نسبی هوا شدیدتر است استفاده از اینگونه برج های خنک کننده کاربردی تر است.

با توجه به شکل این برج ها، در قسمت بالای این برج ها یک دودکش یا استک بزرگ قرار گرفته است. آب گرم بوسیله یک سیستم توزیع آب داغ در قسمت بالای قطه ساز ها اسپری می گردد. قطره سازها ذرات آب را به قطرات ریزتری می شکنند تا امکان تماس هر چه بیشتر آب با هوا فراهم گردد. مقداری از حرارت آب به هوای ورودی منتقل می گردد که این امر موجب گرم شدن هوا و در نتیجه سبک شدن وزن آن شده و نهایتاً منجر به حرکت هوای داغ به سمت بالای استک     می گردد. این هوای گرم شده جای خود را به هوای خنک ورودی داده و در نتیجه یک جریان هوای دائمی از سمت پایین با ورودی برج به سمت بالا برقرار می گردد. بنابراین به علت نوع طراحی خاص برج خنک کننده با کشش طبیعی عملکرد این برجها به جریان هوای خارج از برج یا باد بستگی ندارد.

اطراف دهانه ورودی برج از کرکره ها یا لوورها جهت کنترل میزان هوای ورودی استفاده گردیده و با تغییر تنظیم میزان هوای ورودی میزان خنک کنندگی ناشی از تبخیر قابل تنظیم می باشد.

احداث این نوع برج ها در ابتدا فقط با چوب بود و بعداً با چوب و فلز به ساخت آن مبادرت گردید. در نوع جدید این برج با بتن مسلح درست می شود. شکل فیزیکی این نوع برج نیز تغییراتی را پشت سر گذاشت. نخست به صورت استوانه احداث می گردید و بعداً به حالت دو مخروط قطع خورده روی هم بنا می شد. شکل جدید آن اکنون به صورت هذلولی است که به برج استحکام خوبی می دهد و با جریان طبیعی هوا در عبور از پوسته برج سازگاری بهتری دارد. طرح جدید این برج مصالح کمتری نیاز داشته، چرا که حجم کمتری دارد.

هوای درون برج توسط آب ورودی گرم می شود و با هوای بیرون اختلاف دانسیته پیدا می کند، لذا برج یک دودکش بزرگی است که در پایین هوای سرد را به درون خود می کشد و در بال هوای گرم را تخلیه می نماید.

در مناطق خشک رطوبت نسبی پایین است و آب زیادی با تبخیر هدر خواهد رفت و لذا در اینگونه مناطق استفاده از برج با جریان طبیعی توصیه نمی شود. در مناطقی با رطوبت نسبی متوسط، برحسب اینکه حجم بار زمستانی برج چقدر باشد می توان برج طبیعی را توصیه کرد. همچنین در مناطقی هم که دمای تابستان خیلی بالا باشد، احداث این برج ها توصیه نمی شود چون بازدهی مطلوب را نخواهد داشت.

• مزایا
• برای جریانهای آب بسیار بالا مناسب است.
• به فضای کمتری نسبت به برج های چند سلولی مکانیکی نیاز دارد.
• عملکرد این برج ها به سرعت و جهت باد بستگی ندارد.
• به تعمیرات مکانیکی و الکتریکی نیازی نیست.
• به لحاظ عدم وجود فن، آلودگی صوتی بسار کمتر است.
• معایب
• اثر دودکشی دیواره برج با افزایش رطوبت کاهش می یابد و این مسئله برای محیط های خشک و گرم یک نقطه ضعف محسوب می گردد.

2-2-2-2: برج های خنک کننده با کشش مکانیکی

2-2-2-2-1: برج های خنک کننده با فن دمنده

2-2-2-2-2: برج های خنک کننده با فن مکنده

2-2-2-2-1: برج های خنک کننده با فن دمنده

در اینگونه از برج های خنک کننده فن در قسمت ورودی هوا به درون برج و در بخش تحتانی آن قرار دارد و هوا را به درون می دمد. به همین جهت سرعت جریان هوا در پایین برج و در قسمت ورودی و در مقایسه با سرعت هوا در بالای برج بیشتر می باشد. از آنجائیکه سرعت هوا در خروجی خیلی کم است این برج ها بسیار در معرض خطر برگشت هوای گرم و مرطوب به قسمت ورودی می باشند که به این پدیده “Recirculation” (گردش مجدد) گفته می شود. بنابراین برج های دمنده در مقایسه با برج های مکنده از نظر عملکرد حرارتی و راندمان در سطح پایین تری قرار دارند. همچنین هنگام کارکرد در شرایط جوی با دمای پایین، احتمال یخ زدگی بسیار زیاد می باشد.

اینگونه از برج ها به دمنده های نوع گریز از مرکز مجهز می باشند که در مقایسه با فن های نوع پروانه ای احتیاج به توان بیشتری دارند، اما دارای این مزیت هستند که در برابر فشار استاتیک کانال های درون برج تواناتر می باشند.

اساس کار این نوع برج ها به این صورت است که آب گرم ورودی به برج توسط سیستم توزیع کننده، بر روی پرکن ها پاشیده می شود تا سطح بیشتری بین آب و هوا ایجاد گردد. همچنین فن دمنده نیز هوا را از پایین برج به سمت بالا می فرستد. به این ترتیب تبادل حرارت بین آب و هوا بر روی پرکن ها انجام می پذیرد و حرارت گرفته شده از آب در نهاینت از بالای برج خارج می گردد. در این برج ها نیز صفحاتی به نام قطره برگردانها برای جلوگیری از خروج قطرات آب در نظر گرفته شده که در قسمت بالای برج تعبیه شده است.

• مزایا
• به دلیل نصب قطعات دوار در قسمت پایین برج، ارتعاش کمتر است.
• اجزا پروانه در مقایسه با دیگر برج ها در مسیر جریان خشک هوا قرار دارد.
• قرار گرفتن اجزا پروانه در زیر برج عملیات بازرسی و تعمیرات را آسان می سازد.
• پروانه ای که هوای محیط را به حرکت در می آورد به نیروی کمتری نسبت به پروانه هایی که به صورت مکنده عمل می کنند، نیاز دارند.
• معایب
• برای ظرفیت مشابه، نسبت به برج های مکنده احتمال بازگشت هوای گرم بیشتر است.
• در هنگام زمستان، احتمال یخ بستن روی ورودی پروانه ها جود دارد. اگز کانا پروانه را با زاویه ای ناچیز تنظیم کنیم بطوریکه آب به راحتی به درون حوضچه بازگردد، میزان یخ زدگی به حداقل می رسد.

: برج های خنک کننده با فن مکنده

2-2-2-2-2-1: برج های خنک کننده با جریان متقابل

2-2-2-2-2-2: برج های خنک کننده با جریان متقاطع

2-2-2-2-2-1: برج های خنک کننده با جریان متقابل

در برج های با فن مکنده بر خلاف برج های دمنده، یم یا چند فن در قسمت بالایی برج قرار گرفته است که هوای اطراف را به داخل می کشد.

یکی از متداول و پرکاربرد برج های خنک کننده، بخصوصو در صنایع نفت و پتروشیمی، برج های خنک کننده با جریان متقابل می باشد. در این نوع از برج های خنک کننده//ف جهت جریان هوای ورودی بر خلاف ریزش قطرات آب می باشد، بطوریکه جریان هوا از پایین به بالا و جریان آب از بالا به پایین است. سرعت هوای ورودی به این برج ها حدود 2-3 متر بر ثانیه بوده و سرعت هوای گرم و مرطوب خروجی از بالای آنها 3-4 برابر سرعت هوای ورودی می باشد.

با توجه به طراحی خاص اینگونه از برج ها، هوای خروجی مستقیماً بالا می رود و با محل ورودی هوا فاصله دارد و از آنجائیکه روی دیواره آنها صفحات مشبک ورود هوا یا لوور وجود ندارد، لذا امکان بازگشت جریان هوای گرم خروجی به داخل برج بسیار کاهش یافته و این امر سبب افزایش توان خنک کنندگی آن می شود. از این جهت محل استقرار این برج انعطاف پذیری خوبی در مقایسه با انواع دیگر دارد.

آب گرم ارسالی از قسمت های مختلف توسط لوله هایی به نام رایزر به بالای برج فرستاده می شود سپس بسته به نوع طراحی، این آب یا به داخل حوضچه آب گرم ریخته شده و از آنجا توسط شبکه توزیع کننده به پایین پاشیده می شود و یا اینکه با تغییر اندازه قطر لوله ها و میزان افت فشار، آب گرم در بالای برج مستقیماً از طریق شاورها بر روی پرکن ها ریخته می شود. آرایش قرار گیری قطره گیرها و پرکن ها در این برج ها به صورت افقی می باشد، بطوری که قطره گیرها را در بالای قسمت توزیع کننده آب گرم و زیر فن مکنده قرار می دهند، همچنین پرکن ها که وظیفه افزایش سطح تماس بین آب گرم و هوای خنک را برای انتقال حرارت دارند در زیر شبکه توزیع کننده آب قرار گرفته اند.

فن های هوای خنک محیط اطراف را از پایین به بالا کشیده و آب گرم در حین ریزش به پایین بر روی سطح پرکن ها توسط این هوا خنک می گردد.سپس آب خنک شده به داخل حوضچه آب سرد که در پایین تمامی این برج ها وجود دارد ریخته می شود.

اگر تعداد سل های یک برج کم باشد، آب خنک توسط یک انشعاب بزرگ به نام آب خنک کننده ورودی به سمت واحدها ارسال می گردد. در صورتیکه تعداد سلها زیاد باشد، آب خنک ابتدا از حوضچه آب سرد به درون حوضچه های مکش که برای هر سل در نظر گرفته شده وارد می گردد و از آنجا توسط پمپ ها به قسمت های مختلف فرستاده می شود.

• مزایا
• افزایش بازدهی و انتقال حرارت بهتر به واسطه سیستم اسپری توزیع آب که منجربه ایجاد قطرات ریزتر می گردد.
• راندمان بیشتر به لحاظ حرکت عمودی هوا از میان پرکن ها و نهایتاً خن تر شدن آب د تماس با هوا که ناشی از حرکت متقابل آب و هوا می باشد.
• کمتر بودن هزینه نگهداری و سرویس و همچنین قابلیت تعمیرات موضعی.
• کاهش ارتقاء برج، هزینه پمپاژ آب و هزینه احداث.
• زیاد بودن فاصله سطوح ورودی هوا از فن و کاهش پدیده چرخش مجدد.
• امکاناستفاده کامل از قطره گیر و لوور و در نتیجه کاهش اتلاف آب.
• امکان استفاده مناسب از پرکن های اسپلش در شرایط خاص.
• بهره گیری از نازل های تحت فشار و پوشش کامل پرکن ها.
• معایب
• مشکلات ناشی از بازرسی و تمیز کاری نازلهای توزیع کننده آب و همچنین لزوم طراحی رایزرهای انفرادی برای هر سل که منجر به افزایش هزینه های لوله گذاری خارجی می شود.
• افزایش فشار استاتیکی و نتیجتاً ازدیاد توان مصرفی به لحاظ مقاومت بیشتر هوای عبوری از برج در جریان متقابل با آب گرم.
• افزایش احتمال توزیع یکنواخت هوا از میان پرکن ها در نزدیکی دیوارها و مرکز برج.
• افزایش میزان کشیده شدن ذرات گرد و غبار به داخل برج به لحاظ سرعت بسیار بالای هوا که منجر به ازدیاد آلودگی آب برج می گردد.
• نیاز به پمپ با هد بالاتر از برج های متقاطع.
• عرض بیشتر فضای مورد نیاز جهت نصب، نسبت به برج های با جریان متقاطع.

2-2-2-2-2-2: برج های خنک کننده با جریان متقاطع:

یکی دیگر از انواع پرکاربرد برج های خنک کننده برج های با جریان متقاطع می باشد، در این نوع از برج ها جهت جریان هوای ورودی بر جهت ریزش قطرات آب عمود می باشد. این برج ها خود به دو نوع مختلف تقسیم می شوند. اگر سطوح مشبک و مورب ورودی هوا یا لوورها در این نوع برج فقط در یک طرف داشته باشند به آن برج یک طرفه، و اگر این سطوح در دو طرف برج موجود باشند، به آن برج دو طرفه گویند.

اما به طور کلی برج های ذدو طرفه پرکاربردتر می باشند، چرا که دو ورودی هوا و دو مجموعه پر کن در آنها تعبیه شده است و لذا انتقال حرارت بیشتری را می توانند انجام دهند. ارتفاع سطح ورودی هوا در این گونه برج ها موجب می شود که حجم هوای ورودی زیاد باشد، در نتیجه امکان بازگت هوای گرم خروجی به مدخل ورود هوا زیاد خواهد شد. این موضوع می تواند توسط فشار و سرعت باد معمولی تشدید گردد. برقراری جریان بازگشت هوای خروجی به سهولت اتفاق می افتد و از نکات ضعف برج با جریان متقاطع می باشد.

هنگام احداث برج خنک کننده صنعتی با جریان متقاطع باید جهت باد غالب را پیدا کرد. چنانچه جهت باد غالب حالت دائمی داشته باشد، مشکل جریان بازگشت را می توان با انتخاب یک مدخل ورود هوا در این نوع برج برطرف نمود. در این حالت لوورها عمود بر جهت باد قرار می گیرد که امکان بازگشت جریان را حداقل می سازد و اثر باد بر روی خنک کردن آب مثبت واقع می شود.

برج با جریان متقاطع و دو مدخل ورود هوا را می توان در سه وضعیت عمود، تحت زاویه و موازی نسبت به جهت باد مستقر نمود.

در حالت دوم که مدخل ورود هوای برج تحت زاویه ای نسبت به جهت باد غالب قرار دارد، حالت مطلوبترب از وضعیت اول می باشد. در حالت سوم دیوار عرضی برج مشرف به باد غالب می باشد و مسئله جریان بازگشت در آن حداقل خواهد بود.

وقتی مکان برج خنک کننده مناب انتخاب نشده بشد و ورودی هوا خفه باشد، اتفاقات زیر در سیستم مشاهده خواهد شد:

1) حجم هوا در برج به علت فشار استاتیکی در سطح فن کم می شود.

2) حجم زیاد آب، مستلزم استفاده از پم های بزرگتر می باشد، لذا مصرف الکتروموتور زیاد شده و در نتیجه هزینه انرژی زیاد می شود.

3) افزایش حجم آب برج منجر به ازدیاد کلرزنی و تصفیه آب می شود.

بنابراین در تعیین محل استقرار برج خنک کننده باید دقت شود تا برای برج حجم کافی هوا و فضای تخلیه فراهم باشد.

اگر برج با تناژ بالا در حال کار باشد، در صورت عدم رعایت فاصله لازم بین دیوارهای برج و حفاظ، جریان بازگشت را ایجاد می شود. افزایش ارتفاع تنوره فن که بین 3-5/6 متر می باشد، ارتفاع تخلیه هوای خروجی را بیشتر کرده و احتمال تشکیل فرآیند بازگشت را حداقل می سازد که این اقدام بر روی برج با جریان متقابل نیز اثر مثبت دارد. مواردی هم اتفاق می افتد که ساختمان های مجاور برج با جریان متقاطع، ارتفاع بیشتری از استوانه فن دارند که در این حالت باد غالب، احتمال فرآیند بازگشت را افزایش می دهد، لذا چاره کار بلند تر گرفتن ارتفاع استک برج می باشد.

2-2-2-2-2-2-1 : مشکلات عملیاتی این نوع برج ها

مشکلات موجود در این برج ها معمولاً در چهار زمینه مختلف رخ می دهد که عبارتند از:

1) ساختمان

2) انتقال حرارت

3) قطه برگردانها

4) لوازم مکانیکی

پوسیدگی در تیرها، تیرچه ها، نوک ستون ها در ناحیه تکیه گاه و لوازم مکانیکی فن از جمله مواردی است که مکرراً در ساختمان این برج ها ایجاد می گردد. پوسیدگی آهن در اتصالات، اجزا فلزی و چوب از موارد تخریبی هستند که زیاد اتفاق می افتد. بازسازی قسمت فن و تعویض اجزا مرتبطدر مجموعه آن بسیار مهم می باشد، چرا که گشتاور وارد بر عناصر این قسمت هنگام شروع به کار فن، ممکن است خسارت زیادی وارد کند و در صورت اتفاق، هزینه تعمیر بالایی را به دنبال خواهد داشت.

سطوح انتقال حرارت در این برج ها را معمولاً شمشهای چوبی نازک(به ضخامت 3 میلی متر) تشکیل می دهند. بخش پر کننده چوب پس از مدتی کار به علت تخریب اجزایش، بازدهی خوبی در تبادل حرارت نخواهد داشت و لذا باید بازسازی شود.

چوب های قطره برگردان نیز مانند شمشهایی چوبی پر کننده، پس از مدتی دست خوش پوسیدگی می گردند و در آنها نشتی ایجاد می شود که سبب هدر رفتن آب خواهد شد.

قطرات آب همراه جریان هوا از برج خارج و در محیط اطراف پراکنده می شود و موجبات زنگ زدگی اشیاء فلزی را فراهم می آورند.

• مزایای این برج ها
• کاهش اختلاف فشار استاتیکی و ورود هوای بیشتر به نسبت توان مصرفی فن با توجه به توزیع هوا به صورت افقی در اینگونه از برج ها.
• کاهش اتلاف قطرات آب بواسطه افقی بودن جریان هوای ورودی.
• کاهش برخی از هزینه های عملیاتی به لحاظ توزیع آب گرم با نیوری ثقلی.
• معایب این برج ها
• فشار کم در حوضچه های توزیع و گرفتگی تدریجی آنها و همچنین افزایش احتمال رشد جلبک ها به لحاظ تماس هوا با حوضچه های آب گرم که به علت توزیع آب با نیروی ثقلی می باشد.
• بزرگتر بودن سطح لوورها در این گونه از برج ها به لحاظ سیستم توزیع هوا که منجر به افزایش احتمال یخ زدگی می گردد.
• افزایش احتمال پدیده چرخش مجدد به دلیل وجود یک فضای نسبتاً خالی در میانه برج.

برج خنک کننده جریان متقاطع

2-2-3: برج های خنک کننده ترکیبی

به طور کلی از این گونه برج های خنک کننده در مناطقی استفاده می شود که مشکل تأمین آب وجود داشته و همچنین نیاز به خنک کردن آب تا دمایی بیش از آنچه که در یک برج خنک کننده خشک صورت می گیرد، باشد. این نوع از سیستمهای خنک کننده، ترکیبی از سیستمهای خنک کننده تر اعم از کشش طبیعی و مکانیکی (تبخیری) و همچنین سیستمهای خنک کننده خشک (غیر تبخیری) می باشند و عملکرد آنها بستگی مستقیم به دمای محیط دارد.

برج های خنک کننده ترکیبی، دارای ظاهری شبیه به برج های خنک کننده با کشش طبیعی هستند که در مقایسه با آنها استک کوتاهتری دارند. اما در داخل این برج ها از فن های کشش مکانیکی استفاده شده است تا شدت جریان هوا افزایش یابد. لذا گاهی آنها را ” برج های خنک با کشش طبیعی مجهز به فن” می نامند. یکی از اهداف اصلی طراحی این نوع برج، کاهش توان مورد نیاز برای حرکت جریان هوا می باشد، چرا که اینگونه از برج ها، همانند برج های با جریان متقاطع، دارای فن و صفحات مشبک ورود هوا یا برای عبور هوای خنک به داخل بوده و هم اینکه مانند برج های با کشش طبیعی دارای یک استک با ساختار هذلولی هستند که باعث کشش هوای گرم به خارج از محیط برج می گردد و از آنجایی که محل خروج هوای گرم در بالای استک با لوورها فاصله دارد، مشکل ورود هوای گرم به داخل برج نیز به شدت کاهش می یابد. بنابراین قدرت مکش بالا در این نوع از برج های خنک کننده، استفاده از آنها را به لحاظ بازدهی و مسائل اقصادی توجیه پذیر می نماید. اساس کار اینگونه از برج ها به این صورت است که ابتدا آب خنک گرم شده از درون مجموعه لوله ها عبور کرده و وارد قسمت خشک برج می گردد که در اینجا حرارت آب بوسیله یک فن مکنده که درون استک برج قرارداد، گرفته شده و به بیرون فرستاده می شود که به این صورت خنک سازی اولیه انجام می گیرد. آب پس از عبور از بخش خشک توسط سیستم توزیع کننده وارد قسمت تر برج می گردد که در این بخش بوسیله هوای ورودی از لوورها و توسط فرآیند تبخیر باز هم خنک تر می شود. سپس  هوای گرم شده در قسمت خشک به همراه بخار خارج شده از بخش تر توسط ساختار هذلولی استک برج به بیرون کشیده می شوند. بنابراین ملاحظه می شود استفاده از سیستم های خنک کننده ترکیبی، معایب و نواقص اساسی سیستم های تر و خشک را تا حدود زیادی برطرف می نماید. یکی از مشکلاتی که برای برج های خنک کننده تر در آب و هوای سرد و مرطوب ایجاد می شود تولید ابر و مه در آنها می باشد، بنابراین با اضافه کردن یک قسمت خنک کننده خشک به این سیستم ها می توان بخار آب ناشی از کندانس را از آنها خارج نمود.

همچنین یکی از مشکلاتی که برج های خنک کننده خشک دچار آن می شوند، کاهش بازدهی آنها در آب و هوای گرم می باشد، لذا با اسپری کردن آب و ایجاد خنک سازی تبخیری در دماهای بالا، می توان بازدهی اینگونه سیستم ها را افزایش داد.

بنابراین ملاحظه می شود که ترکیب سیستم های خنک کننده تر و خشک به بقای آب کمک می کند به طوری که مصرف آب را در حدود 20 % در مقایسه با سیستم های خنک کننده تر کاهش می دهد.

برج خنک کننده ترکیبی

3-پارامترهای کنترل کمی و کیفی آب در برج های خنک کننده

7-1: پارامتر های کنترل کمی برج های خنک کننده

تبادل حرارت در برج های خنک کننده به عومل فیزیکی و شیمیایی بسیاری بستگی دارد که بطور مستقیم یا غیر مستقیم بر کارایی سیستم موثر خواهند بود.

7-1-1: ظرفیت سیستم

کل حجم آبی که در حوضچه و دستگاه ها و در لوله های رفت و برگشت در جریان است را ظرفیت سیستم می گویند. معمولاً20 تا 30 درصد از حجم آب حوضچه در دستگاه ها و لو له ها در جریان است.

_{حجم حوضچه}V= طول×عرض×ارتفاع

_{حجم آب لوله ها}V= (1/31/5)VBasin

7-1-2: افت درجه حرارت

هرچه اختلاف آب ورودی و خروجی از برج های خنک کننده زیاد باشد تبخیر بهتری صورت می گیرد.

7-1-3: تبخیر آب

مقدار آبی است که بر اساس گرمای نهان تبخیر اختلاف دما به هنگام تبادل حرارت با خوا بخار می شود. بطور متوسط یک در صد از آب در گردش برای هر ° C8/5 از آب گردشی تبخیر می شود. در این شرایط مقدار تبخیر شده برابر می شود با کل حرارت گرفته شده از آب، بنابراین:

(578cal/kg t=40°C) = H_L گرمای نهان تبخیر

E × H_L=C_p ×     R × 1×t

R=دبی آب چرخشی خنک کننده

t=اختلاف دمای آب ورودی و خروجی

E=(M³/h)آب از دست رفته از طریق تبخیر

بنابراین وقتی یک درصد از آب گردشی تبخیر می شود اختلاف درجه حرارت تقریباً8/5 درجه سانتی گراد می شود.

اگر بخواهیم 10 درجه فارنهایت که برابر 8/5 درجه سانتی گراد است افت درجه حرارت در آب بوجود آوریم. پس داریم:

R × 5.8 × 0.998= E × 578 → R × 57.8 = E × 578→E= 0.01× R

مقدار آب تبخیر شده 1% آب چرخشی برای هر 5.8°C _~ 10°F اختلاف دماست.

M³/H)

تبخیر واقعی هم کمتر از میزان محاسبه شده در زمستان شده چون آب در این فصل سال توسط هوای سرد خنک می شود.

رابطه ذیل معادله ای برای محاسبه از دست رفتن تبخیر به صورت بسیار دقیق به واسطه در نظر گرفتن تأثیر دمای هوا بر تبخیر آب در برج خنک کننئه ارائه شده است.

که در این رابطه Td دمای هوا(دمای حباب خشک °C)

7-1-4: آب از دست رفته بوسیله باد

مقدار آب از دست رفته بوسیله باد بستگی به طراحی و شرایط عملیاتی برج خنک کننده دارد. که بطور کلی مقدار 0.2-0.5 درصد سرعت چرخش آب خنک کننده در برج های خنک کننده دارای مکش با فن می باشند.

7-1-5: مقدار آب جبرانی

در سیستم های آب خنک کننده حجم آب باید تحت شرایط عملیاتی نرمال، به صورت ثابت حفظ شودبنابراین مدار آب جبرانی برابر است با حجم کل آب از دست رفته توسط تبخیر ، هدر رفت، آب زیر آب می باشد. یعنی:تبخیر آب(evaporation) ، افت ناشی از باد(windage loss)، و آب دور ریز یا زیر آب (blow down) ، در نتیجه:

7-1-6: آب دور ریز

در سیستم برج های خنک کننده همزمان با عمل تبخیر آب، تغلیظیون ها نیز در /آب صورت می گیرد . چنانچهغلظت املاح از جحد مجاز خود کمتر باشد سیستم تمایل به خورندگی و چنانچه غلظت املاح بیش از حد متعارف باشد سیستم رسوب گذار خواهد بود.

برای موازنه غلظت املاح در برج های خنک کننده بطور پیوسته مقداری از آب را از سیستم خارج می نمایند که به این آب ، آب دورریز یا زیر آب گفته می شود. مقدار آب دورریز به غلظت املاح آب تأمینی ، غلظت بازدارنده مورد مصرف و نوع آن بستگی دارد.

7-1-7: تعداد سیکل تغلیظ

سرد شدن آب در برج های خنک کننده بواسطه تبخیر مقداری از آب سیستم می باشد. هر چه میزان تبخیر بیشتر باشد درجه تغلیظ نیز بیشتر می شود. درجه تغلیظ عبارتست از نسبت مواد موجود در سیستم آب گردشی به غلظت همان یون در آب جبرانی.

درجه تغلیظ را می توان از روی نسبت کلراید، سیلیس و یا منیزیوم بدست آورد. بهر حال یون مورد نظر نباید یونی باشد که در واکنش های شیمیایی برج خنک کننده شرکت کند. یومن مورد نظر نباید از طریق مواد افزودنی به برج های خنک کننده افزوده و یا کاسته گردد.

روش محاسبه  سیکل تغلیظ بصورت زیر است:

n=C_R/C_M

n…………………Number of Cycle

C_R…………..(PPm)غلظت جامدات حل شده درآب گردشی

C_R…………..(PPm)غلظت جامدات حل شده درآب جبرانی

از نظر اقتصادی با بالا نگهداشتن درجه تغلیظ با آب جبرانی و مواد شیمیایی کمتری برای سیستم های خنک کننده نیازمندیم. این از مسائل مهمی است که توجه به آن حائز اهمیت است.

در شرایط تعادلی مقدار جامدات حل شده که از طریق آب جبرانی به سیستم اضافه می شود با مقدار جامدات حل شده که از طریق آب دورریز و آب از دست رفته بوسیله باد از دست می رود برابر  می باشد. اگر در برخی شاخص سیکل تغلیظ کلراید باشد روابط زیر را داریم.

Conectration Cycle=CL_R/CL_M

آب جبرانی معادل مقدار آب هدر رفته از طریق تبخیر و زیر آب است.

M= B+E

طبق قانون بقا جرم(موازنه جرمی) مقدار کلری که به سیستم وارد و خارج می شود برابرند.

M × CL_M=(B × CL_B)+ (E × CL_E)

CL_E = 0چون آب تبخیر شده کلری همراه ندارد.

M × CL_M= B × CL_B

در شرایط تعادلی آبی که از طریق آب دور ریز خارج می شود هم غلظت آب برج خنک کننده است.

M × CL_M = B× CL_R

CL_R/CL_M→ M/B

Concentration Cycle= M/B → (B + E) /B

N= M/B→ (B + E)/B→1+(E/B)→

N= CR/CM=M/ (B+W)

N =(E +B +W) /(B + W)

در شکل 7-1 که روابط بین سیکل تلغیظ با آب جبرانی را نشان می دهد دقت شود.

حجم آب جبرانی بطور قابل ملاحظه ای تا سیکل 5 کم می شود ولی در بالاتر از 5 این طور نیست. بنابراین با توجه به زمان یک گردش مواد شیمیایی محدوده سیکل تلغیظ بین 2 تا 5 تنظیم می شود.

مثال: دبی آب ورودی یک برج خنک کننده M= 100m³/hr آنالیر این آب و همچنین آب برگشتی به برج به شرح ذیل است. مطلوبست مقدار آب تبخیر شده در این برج و مقدار آب دور ریز؟

600-400 =200→ TH- CaH= Mg_R آب برگشتی

Mg_M = 300-200=100 آب جبرانی

N= Mg_R/Mg_m→200/100=2 → N=2

N= M / BD→BD= 100/2 → 50 m³/hr →

BD + E =M→ E=100-50 =50→

%80 × E _MAX= تبخیر واقعی

اگر فرض کنیم شاخص سیکل تغلیظ در این برج کلراید باشد. مجدداً BD و تبخیر را محاسبه کنید.

N= CLR / CLM → 450/ 220 →2.04

N= M / BD→100 / BD →BD =100/ 2.04= 49→

M= BD + E→ E= M – BD→100-49=51→

7-1-8: زمان ماند

مدت زمانی است که آب جبرانی بتواند حجم آب کل سیستم را تغییر دهد. این زمان تابعی است از میزان آب دور ریز و میزان آب از دست رفته بوسیله باد.

زمان ماند از رابطه زیر محاسبه می شود:

T_R=

H: (M³ ) Holding Capacity

B : (M³/hr ) Blow Down

W: (M³/hr ) Windage Loss

زمان ماند با کم کردن آب دور ریز افزایش می یابد. یعنی مواد شیمیایی تزریقی به برج مدت زمان بیشتری در سیستم برج خنک کننده باقی می ماند.

مثال: حجم یک برج خنک کننده (Holding Capacity) H=3000M³ است. دبی آب چرخشی

( Q= 10000 M³/hr می باشد. دمای آب گرم برگشتی از برجC T₂=35° می باشد. این برج10°C آب را خنک       می کند. چنانچه مقدار افت در اثر باد 0.2 درصد آب چرخشی باشد. مطلوبست زمان ماند (T_R ) . دبی آب ورودی برج 300M³/hr می باشد.

W=%0.2 Qc

H= 3000M³

Q_C= 10000M³/hr →E=0.02*10000

T2=35

T1 – 25                         35-25=10

W= 0.0002 × 10000 =20 M³/hr

If = 10°C →0.02 × 10000= 200 →

هر 8/5 درجه افت دما 1% افت دما چون 10 درجه افت دما داریم پس 2% می باشد.

M= BD + E+ W →BD = 300-200-20→

TR= 3000/(20 +80)=30 →

7-1-9: زمان یک گردش

مدت زمانی که یک مولکول آب تمام سیستم را طی کرده و دوباره به نقطه اول خود برسد را زمان یک گردش گویند. زمان یک گردش از رابطه زیر محاسبه می شود.

T= V/Q

V= (M³) کل حجم آب سیستم

Q= (M³/hr) دبی آب چرخشی

به هنگام تزریق کلر با استفاده از این رابطه می توان زمان تست کلر آزاد باقی مانده را محاسبه نمود.

7-1-10: زمان نیمه عمر

مدت زمانی که لازم است تا غلظت مواد شیمیایی در برج به نصف مقدار تزریق اولیه آن برسد را زمان نیمه عمر مواد گفته می شود. زمان نیمه عمر از رابطه زیر محاسبه می شود.

T_H= 0.7× T_R

7-1-11: دبی آب چرخشی

مقدار حجم کل آبی که توسط پمپ در ساعت در سیستم به چرخش در می آید. هر چه میزان آب بیشتر باشد، مقدار تبخیر بیشتر خواهد بود.

تمام پارامترهای فوق الذکر پارامترهای کنترلی کمی آب می باشند که در محاسبات فنی مهندسی جهت طراحی یا ساخت و بهره برداری از برج خنک کننده بکار می روند. در سیستم های بسته برج های خنک کننده محاسبات کمی تنها به میزان نشتی آب ارتباط پیدا می کند. در این برج ها آب جبرانی فقط برای تأمین نشتی آب می باشد.

7-2 : پارامترهای کنترل کیفی برج های خنک کننده

بطور کلی پارامترهای کیفی آب بستگی به نوع و مقدار مواد محلول، نوع زمین و محلی که آب در آن جریان داشته و یا استخراج می شود دارد. به همین دلیل کیفیت آب های طبیعی یا تصفیه شده از دیدگان یک مهندس خوردگی با یک مهندس آب متفاوت است. در این فصل سعی شده است که مهمترین پارامترهای کنترل کیفی آب تعریف و تأثیر آن بر واکنشهای شیمیایی برج های خنک کننده مشخص گردد.

7-2-1 : PH

PH آب خاصیت اسیدی یا قلیایی بودن آب را نشان می دهد. لذا به غلظت H⁺ یا OH^– بستگی دارد. PH آب خالص در 25 درجه سانتیگراد برابر 7 می باشد. محلول های اسیدی دارای PH کمتر از 7 و محلول های قلیایی دارای PH بیشتر از 7         می باشند. در یک PH مورد نظر فلز می تواند پایدار باشد. با تغییر PHاکسیده گردد. فلزات نجیب مثل طلا و پلاتین در محلول های اسیدی و بازی پایدار بوده و سرعت خوردگی آنها به PH بستگی ندارد. کربن استیل که از عمده ترین فلزات  مورد مصرف در صنعت می باشد با افزایش PH در محدود 4 الی 9 از سرعت خوردگی آن کم می شودو با زیاد تر شدن قلیائیت در PH=12  به حداقل خود می رسد و سپس افزایش می یابد . واکنش آهن در محلولهای قلیلیی قوی با تشکیل Na₂FEO₂ همراه است.

همچنین PH عامل مهمی برای توسعه، پیشرفت و تکمیل خصوصیات رسوب، خوردگی و رشد میکروارگانیسم ها می باشد. تنظیم PH مهمترین عاملی است که می تواند خوردگی در آب و رسوب گذاری را افزایش دهد. بر طبق یک قاعده کلی افزایش PH در محدوده بیشتر از 8 سیستم را به سمت رسوب گذاری و کاهش PH در کمتر از 7 بسمت خوردگی سوق می­دهد. جدول (7-1) انواع PH و مثال هایی از محلول را نشان داده است.

کنترل PH در برج های خنک کننذه با تزریق اسید سولفوریک صورت می گیرد. فرمول زیر یک روش عملی برای تزریق مناسب اسید و کنترل PH ارائه می دهد.

C=( A-  ) × (M /1.8) × (1/1000)

مقدار اسید مصرفی 98% C=1/h

مقدار قلیائیت کل در آب ورودی A = PPM

مقدار قلیائیت مجاز در آب چرخشی برج خنک کننده B =PPM

سیکل تفلیظ= N

دبی آب ورودی M = M³ /hr

با افزایش سیکل تغلیظ مقدار مصرف اسید بیشتر می شود. هر چه مقدار یا میزان قلیائیت آب ورودی کمتر باشد مقدار مصرفی اسید کمتر خواهد بود.

همچنانکه ذکر شد افزایشPH در مورد یک آب دارای سختی بی کربناتی مسئله خوردگی را تبدیل به مسئله رسوب دهی

می کند. اگر بتوان کنترل صحیحی اعمال کرد که این دو تمایل (خوردگی و رسوب گذاری) متعادل گردند، آنگاه خوردگی را می توان بدون رسوب گذاری بیش از حد کربنات کلسیم کنترل نمود. در ضمن اغلب آبهای طبیعی یا نرم شده با آهک و کربنات کلسیم کنترل نمود. در ضمن اغلب آبهای طبیعی یا نرم شده با آهک و کربنات سدیم به اندازه کافی یون کلسیم دارند که کنترل رسوب گذاری آنها عملی و میسر باشد. در هر حال وجود رسوب نازک و یکنواخت کربنات سدیم روی سطح فلز، سبب می شود تا سطح فلز از اثرات خورنده آب ایزوله و محافظت شود.

لانگلیر روشی را برای محاسبه PH اشباع کربنات کلسیم بر اساس مقدار کلسیم،  قلیائیت و کل جامدات حل شده در آب تشریح کرده است. او اختلاف بین مقدار PH_S  و PH واقعی را در اندیس اشباع کربنات کلسیم نام نهاد که اغلب به اندیس لانگلیر معروف است.

اندیس اشباع PH_S از رابطه زیر محاسبه می شود:

PH_S= C+ P_ca+P_alk

در این رایطه پارامترهای بکار رفته بصورت زیر تعریف می شوند

P_ca                        فاکتور لگاریتمی مربوط به سختی کلسیم

P_alk             فاکتور لگاریتمی مربوط به قلیائیت آب

C                   فاکتور لگاریتمی  مربوط به مجموع املاح محلول آب با توجه به درجه حرارت آب

در این ارتباط:

• سختی کلسیم بر حسب میلی گرم در لیتر کربنات کلسیم
• قلیائیت آب بر حسب میلی گرم در لیتر کربنات کلسیم
• درجه حرارت آب به سانتی گراد یا فارنهایت
• مجموع املاح محلول آب بر حسب میلی گرم در لیتر

در صورت مثبت بودن اندیس اشباع لانگلیر(PH – PH_S ) تمایل کربنات کلسیم نسبت به رسوب شدن بیشتر بوده و در صورت منفی بودن (  PH-PH_S) این تمایل به سمت محلول شدن بیشتر می شود و در صورتی که ( 0=PH -PH_S ) آب در حال تعادل می باشد.

معمولاً به منظور کنترل خوردگی آب، همواره سعی می شود تا اندیس اشباع کمی مثبت باشد تا با ایجاد لایه های نازک رسوب این منظور تحقق یابد. با استفاده از منحنی و جدول می توان PH_S اشباع و اندیس اشباع را محاسبه کرد. در مثال هایی کگه بر روی این دیاگرام ها دیده می شود، می توان نحوه محاسبه PH_S را به راحتی فهمید. ولی بطور کلی روش محاسبه به طریق زیر است.

بعد از تبدیل مقدار کلسیم آب به سختی کلسیم که از ضرب کردن میلی گرم در لیتر کلسیم آب در 5/2 بدیت می آید. این رقمرا روی محور افقی مربوط به منحنی در شکل (7-2) منحنی لانگلیر انتقال داده و بطور عمودی حرکت نموده تا نقاط تلاقی آب با خطوط P_alk  و P_ca را در روی محور عمودی سمت راست بدست می آوریم.

PH_S= C+ P_ca  + P_alk

مثال: آبی با مشخصات زیر مورد نظر است. در این شرایط چنین آبی متمایل به رسوب دهی یا خوردگی؟

140 f=دما

PH= 7.8

TDS= 400PPM

200 PPM= سختی کلسیم(معادل کربنات کلسیم)

حل: PPM160= قلیائیت کل(معادل کربنات کلسیم) داریم:

PH_S= C+ P_ca  + P_alk

برای پیدا کردن P_ca مقدار PPM سختی کلسیم معادل کربنات را روی محور ppm مشخص می کنیم(یعنی 200) بطور عمودی حرکت کردهتا محور P_ca را قطع کند. از آن نقطه به طرف پایین حرکت کرده و مقدار P_ca=2.7 را روی محور مربوطه به P_ca  می خوانیم.

برای پیدا نمودن P_alk به همین نحو این کار را انجام می دهیم. و مقدار P_alk  برابر 5/2 را روی محور P_ca و P_alk                  می خوانیم. برای پیدا نمودن C مقدار TDS را روی محور PPM ها مشخص می کنیم( مقدار 400)، بطور عمودی حرکت کرده تا خط درجه حرارت 140 درجه فارنهایت را قطع کند از آن نقطه به طرف بالا حرکت کرده و مقدار 56/1 = C را روی محور C می خوانیم.

بدین ترتیب مقدار PH_S  برابر است با:                                                                   76/6 = 56/1 + 5/2+ 7/2 = PH_S

حال مقدار اندیس اشباع را بدست می آوریم.

04/1= 76/6 -8/7 = SI=PH-PH_S

پس این آب در چنین شرایطی به مقدار بسیار کم تمایل به رسوب گذاری دارد.

روش دیگر محاسبه PH_S استفاده از جدول و استفاده از فرمول زیر می باشد.

در این فرمول :

A : رابطه مستقیم با مجموع املاح دارد.

B : با اطلاع از درجه حرارت آب به دست می آید.

C : با محاسبه سختی کلسیم تعیین خواهد شد.

D : از روی قلیائیت آب محاسبه می شود.

مقادی A ، B ، C ، D در جداول (7- 3) (7-4) (7-5 ) 7-6) موجود می باشد.

اندیس اشباع، فقط تمایل آب را به رسوب دهی و یا عدم آن را نشان می دهد و نمی توان از آن به عنوان یک اندازه گیری کمی استفاده نمود. برای رفع این اشکال اندیس پایداری ریزنار(RSI) استفاده می شود. با استفاده از این اندیس می توان تا حدودیبه نتایج کمی دست یافت. اندیس پایداری ریزنار به صورت زیر تعریف می شود.

آبهایی که مقدار اندیس پایداریشان 6 و یا کمتر است (-PH  PH_S 2 ) همیشه رسوب بیشتری تولید می کنند و تمایل خوردگی آنها کمتر است.

در حالی که اندیس پایداری بزرگتر از 7 باشد(-PH  PH_S 2 ) رسوب گذاری اتفاق نمی افتد و هنگامی که مقدار اندیش پایداری به حدود 8-5/7 برسد احتمال خوردگی وجود دارد.

مطالب ذکر شده را می توان در جدول 7-2 خلاصه کرد.

جدول 7-2: پیش بینی وضعیت خوردگی و رسوب دهی با استفاده از اندیس لانگلیر و ریز نار

جدول 7-3: رابطه بین کل جامدات حل شده و A  در معامله PH_S

جدول 7- 4: رابطه بین دما و PHS

جدول 7-5 : رابطه بین hardness – Ca و C در معامله PH_S

جدول 7-6: رابطه بین alkalinity – M و D در معاملهPH_S

استفاده همزمان از اندیس پایداری و اشباع به پیش بینی دقیق تر تمایل آب به تشکیل رسوب یا خورنده بودن آن کمک می کند.

از محدودیت های روش لانگلیر آن است  که فقط برای کنترل رسوب کربنات کلسیم در سیستم های با TDS کم و در محدوده دماهای نه چندان بالا صادق است. ضمن آن که هر گونه آلودگی به مواد چربی و روغن و حضور جلبک ها و دیگر گیاهان آبزی می تواند در محاسبات مربوطه تأثیر بگذارد.

لازم به ذکر است که این روش برای آب هایی که مقدار فسفات آنها زیاد و همچنین قلیائیت سدیمی بالایی دارند نیز روش مطمئنی نمی باشد. در سیستم هایی که بازدارنده خوردگی استفاده می کنند از یک پارامتر کنترل کیفی دیگر بر مبنای فسفات کلسیم به جای کربنات کلسیم استفاده می کنند.

عموماً در سیستم های خنک کننده، پلی فسفات ها بعنوان ممانعت کننده های خوردگی بکار می روند. پلی فسفات ها در درجه حرارت های بالاتر به ارتو فسفات تجزیه می شوند. درصد تبدیل پلی فسفات با زمان توقف آب گردش فرق می کند و هیدرولیز پلی فسفات در آب خنک کننده ممکن است 40 تا90 درصد باشد. ارتوفسفات با یون های کلسیم ترکیب شده و Amorphous Calcium Phosphate تشکیل می دهد.

بنابراین در برج های خنک کننده ای که بازدارنده خوردگی استفاده می کنند باید همگام با PHS و PHC نیز استفاده کرد. مقدار این فاکتورها را تحت شرایط مختلف درجه حرارت، PH، Ca، H و غلظت فسفات محاسبه شده است.

Green همچنین روابط بین این فاکتورها و شرایط اشباع فسفات کلسیم را اینگونه پیشنهاد کرده است.

محلول فوق اشباع فسفات کلسیم:

[ (فاکتور فسفات)+ (فسفات کلسیم)]  (فاکتور درجه حرارت PH)

محلول غیر اشباع فسفات کلسیم:

[ (فاکتور فسفات)+ (فسفات کلسیم)] (فاکتور درجه حرارت PH)

اندیسی که بوسیله Green بدست آمده از تجزیه شرایط تعادلی فسفات مشتق شده است از این رو PH_C  بحرانی فسفات کلسیم بوسیله آزمایش تعیین شده و فرمول تجربی زیر بدست آمده است.

PH_C=

سختی کلسیم                                                                                                                                         = (Caco₃ ppm){Ca.H}

غلظت فسفات                                                                                                                                             = (PO₄ ppm){PO₄}

درجه حرارات                                                                                                                                                                          t=c

تعریف اندیس اشباع به قرار زیر است:                                                                                                          SI= PHa-PH_C

PHa= PH واقعی

شرایط فوق اشباع فسفات کلسیم   ………………………………………………………………………………………………………………………..SI

شرایط فوق اشباع فسفات کلسیم ………………………………………………………………………………………………………………. SI

جدول 7-7 : فاکتور کلسیم برای تری کلسیم فسفات

جدول 7-8 فاکتور فسفات برای تری کلسیم فسفات

7-2-2 : قلیائیت کل

مجموع غلظت های هیدروکسید، کربنات و بی کربنات موجود در آب را قلیائیت می گویند. قلیائیت متیل اورانژ در PH=4.5 به حداکثر خود می رسد.

7- 2-3 : قلیائیت جزئی

قلیائیت بوسیله تیتراسیون اسیدسولفوریک 02/0 نرمال و یا اسید کلریدریک مشخص می شود. ابتدا از معرف فنل فتالئین و سپس تیتراسیون با اسید برای کاهش PH تا حد 3/8 =PH استفاده می شود. حجم اسید مصرفی در این مرحله معرف میزان P-Alkalinity می شود  که این خود مبین قلیائیت هیدروکسید و نصف قلیائیت کربناتی است. بنابراین در PH های کمتر از 2/8 میزان P-Alkalinity صفر است. همچنین در PH های کمتر از 2/4 مقدار M-Alkalinity ناچیز خواهد بود.

M-Alk={OH}^–+{CO₃}⁼+{HCO₃}^–

P-Alk={OH}^–+1/2 {CO₃}⁼

M-Alk یکی از مهمترین شاخص های کنترل تزریق اسید و کنترل کیفی میزان رسوب می باشد.

7-2-4- نمک های محلول

تأثیر نمک های محلول در آبهای طبیعی و صنعتی به نوع و غلظت آنها بستگی دارد. حضور یون های کلراید و سولفات سبب تشدید خوردگی و یونهایی نظیر کربنات(CO₃) و بی کربنات (HCO₃) و کلسیم سبب تقلیل خوردگی می شوند. همچنانکه می دانیم یونهای CI^– و SO₄⁼ اصطلاحاً به یون های خورنده و یونهای کلسیم و کربنات به یونهای بازدارنده معروفند. خواص خوردگی و یا بازدارندگی آنها علاوه بر نوع آنها به غلظت یون نیز بستگی دارد. غالباً مقدار یونهایی که خاصیت بازدارندگی دارند باید بیش از مقدار اکسیژن حل شده در محلول باشد. رابطه زیر تأثیر کمی یونهای بازدارنده را در ارتباط با خوردگی نشان می دهد.

بعنوان مثال اگر آبی با 8/7= PH و قلیائیت PPM100 و سختی PPM 200 داشته باشیم اندیس خوردگی نشان می دهد که این آب خورنده نمی باشد.

AI= PH + log (Malk.CaH) =7.8 + log(100*200)=12

یونهای مهاجم سبب تخریب فیلم های محافظ شده و یا از تشکیل آن جلوگیری می کند. این یونها به ویژه کلرایدها قادرند لایه های روئین تشکیل شده بر روی  فلزاتی نظیر Stainless Steel را شکسته و سرعت خوردگی را به شدت افزایش دهد. در حالیکه یونهای بازدارنده ای مثل کربنات قادرند با تشکیل رسوب کربنات کلسیم سرعت خوردگی را کاهش دهند.

معمولاً مقدار کلراید حل شده بیش از مقدار سولفات بوده که خود معیاری از پتانسیل خوردگی آب است.

7-2-5 : گازهای محلول در آب

مهمترین گازهای محلول در آب برج های خنک کننده که ناشی از آلودگی هوا و یا نشتی در سیستم می باشد عبارتند از: اکسیژن، دی اکسید کربن، آمونیاک،  دی اکسید گوگرد و سولفید هیدروژن.

آب از مسیر خط در هنگام خنک شدن و عبور از هوا مقادیر متنابهی اکسیژن و دی اکسید کربن موجود در هوا را در خود حل می کند. دی اکسید کربن به دلیل ایجاد کربنیک و در نتیجه کاهش PH سبب خوردگی می شود.

فلزات در تماس با اکسیژن با یک لایه سطحی پوشش می شوند. مثلاً آلومینیوم در تماس با اکسیژن لایه اکسیدی AI₂O₃ را تشکیل می دهد که خود این لایه بعداً باعث توقف خوردگی می گردد. و یا آهن که به Fe₂O₃ تبدیل می شود. پایداری این لایه وقتی در آب قرار می گیرد به کیفیت آب بستگی دارد. وقتی غلظت اکسیژن  در حد معمول باشد لایه مذکور نقش حفاظتی دارد، اما وقتی که غلظت اکسیژن بطور غیر عادی افزایش یابد این لایه حل شده و بنابراین سرعت خوردگی افزایش می یابد. در دمای محیط مقداراکسیژن آب در حدود 2 تا 8 ppm است. انحلال گازها با افزایش دما کاهش می یابد . انحلال گازها با افزایش دما کاهش می یابد. (بنابراین هر چه دمای آب برگشتی بیشتر باشد حلالیت اکسیژن کمتر خواهد شد).

حلالیت سولفید هیدرروژن در آب عملاً کمتر از  ppm15 می باشد. حضور این گازها در آب ممکن است به دلیل آلودگی آب به فاضلاب های صنعتی ، انسانی و یا آلودگی اتمسفری و یا فعالیت باکتری های احیا کننده سولفات (SRB) باشد.

7-2-6: مواد معدنی

بعضی از مواد معدنی در غلظت پایین در آبهای صنعتی وجود دارند که سبب می شوند طبیعت خوردگی آب را افزایش دهند. سیلیس که در آب بصورت اسید متا سیلیسیلیک (H₂sio₃) وجود دارد در غلظت های مختلف از 2 تا 10 ppm در آب ورودی ممکن است وجود داشته باشد.

میزان بالای سیلیس در آب جبرانی سبب تشکیل رسوب سخت و چسبنده سیلیکات سدیم (Na₂sio₃) در مبدل های حرارتی می شود.

گاهی اوقات در آب ورودی آهن وجود دارد که اغلب به شکل کربنات آهن است. قرمز رنگ شدن رنگ آب دلیل بر وجود رسوبات زنگ آهن می باشد که این پدیده در هنگام اسید شویی های خطوط لوله به وضوح دیده می شود. غالباً آبهای حاوی آهن به دلیل داشتن دی اکسید کربن بالا خاصیت خوردگی زیادی دارند.

7-2-7: ارگانیسم های موجود در آب

ارگانیسم های موجود در آب حاصل از رشد ارگانیسم های زنده و متابولیسم تولید و مرگ می باشد که به شکل کلوئیدی یا ذرات معلق در آب وجود دارد. همچنین مواد آلی موجود در آب بصورت اسید هیومیک، اسید سیتریک، اسید استیک یافت می شوند.

حضور این مواد سبب تقلیل PH آب شده و رنگ و بو و مزه آب را تغییر می دهند. باکتری هایی نظیر باکتری های کاهنده سولفات (SRB) سبب خوردگی آهن نیز می شوند. توده باکتری ها همراه با جلبک ها سبب کاهش انتقال حرارت و سرعت آب در مبدل های حرارتی و لوله های آب می شوند.

7-2-8 : هدایت الکتریکی آب

در یک محلول میزان رسانایی الکتریکی آب را قابلیت هدایت الکتریکی آب می نامند. که مستقیماً به خصوصیات هدایت الکتریکی سیال بستگی دارد. هر چه غلظت املاح و مواد تجزیه شده آب افزایش یابد میزان رسانایی آب افزایش پیدا          می کند. اندازه گیری هدایت الکتریکی آب از این نظر اهمیت دارد که کیفیت آب را از نظر خلوص و مواد حل شده جامد در آب و همچنین مواد معلق آب را نشان می دهد. افزایش ناگهانی هدایت الکتریکی آب نشان از افزایش غلظت غیر عادی برخی مواد در آب دارد که ممکن است ایجاد خوردگی، رسوب گذاری، ساییدگی ، کف زایی و غیره کند.

هدایت الکتریکی با دما نسبت مستقیم دراد و با افزایش دمای آب افزایش می یابد. واحد سنجش هدایت الکتریکی آب Us/Cm می باشد.

7-2-9: سختی کل

سختی کل آب شامل نمک قلیایی کلسیم و منیزیوم می باشد. این فلزات در محلول ها عموماً بصورت بی کربنات وجود دارند. اما ممکن است بصورت سولفات یا نیترات و گاه بصورت کلرید هم دیده می شوند. بهترین روش تعیین سختی دائمی (سختی کل) اندازه گیری مستقیم مقدار کلسیم و منیزیوم آب است. اصطلاح سختی موقت مربوط به رسوبات بی کربناتی یا کربناتی است که با تغییر ارامترهای فیزیکی مثلاً افزایش و کاهش دما تشکیل می شوند، مانند بی کربنات منیزیوم.

آن قسمت از سختی که تحت تأثیر واکنش های شیمیایی تشکیل شده و با واکنش های شیمیایی از بین می روند را سختی دائم گویند. سختی غیر کربناتی ناشی از سولفات ها، کلرایدها و نیترات های کلسیم و منیزیوم آب است. آب با درجه سختی بالا ابتدا باعث ایجاد لجن  سپس رسوب در آب می شود.

7-2-10 : تخمین مقدار هوای برج خنک کننده

دبی هوای برج به ازای هر GPM تقریباً 10 تا 100 سی اف ام در نظر گرفته می شود.

7-2-11 : تخلیه برج خنک کننده

خط تخلیه آب برج خنک کننده را می توان بر اساس 2 برابر نرخ آب جبرانی اندازه گیری کرد.

7-2-12 : تخمین توان الکتریکی برج خنک کننده

035/0 تا 040/0 کیلووات به ازای هر تن تبرید

7-12-13 تخمین فضای مورد نیاز برج خنک کننده

برج های خنک کننده حتماً در فضای باز و در معرض جریان مستقیم هوا نصب می شوند.

برجهایی با ارتفاع 5/2 متر به ازای هر تن تبرید نیازمند سطحی به اندازه 1 فوت مربع به ازای هر 500 فوت مربع زیربنای مفید ساختمان هستند.

برجهای بلندتر از 5/2 متر به ازای هر تن تبرید ، نیازمند سطحی به اندازه 1 فوت مربع به ازای هر 400 فوت مربع زیربنای مفید ساختمان هستند.