برج خنک کننده - کولینگ تاور - برج خنک کن | پایاسرداب

چکیده

برج های خنک کن جابجایی خشک، تحت تاثیر عوامل محیطی از قبیل سرعت باد می باشند. این عامل گاه اثرات بسیار خربی بر عملکرد برج ها گذاشته و باعث افت شدید راندمان نیروگاه ها می شود. جهت بررسی این اثر می توان از روشهای عددی، تجربی و میدانی استفاده نمود. هر کدام از این روشها دارای مزایا و معایب مربوط به خود بوده و مکمل هم می باشند. به منظور کاهش اثر نامطلوب باد بر عملکرد برج های خنک کن جابجایی طبیعی خشک، تاکنون پیشنهادات مختلفی ارائه شده که از جمله آنها می توان به استفاده از المانهای زبری نصب شده بر دیواره خارجی برجهای خنک کن اشاره نمود:در این مقاله با مدلسازی یک برج خنک کن چابجایی طبیعی خشک و با استفاده از تونل باد دانشگاه صنعتی شاهرود، تأثیر باد بر عملکرد برج های خنک کن خشک به صورت تجربی بررسی شده و تأثیر استفاده از المانهای زبری مختلف با آرایش های گوناگون. در کاهش اثر نامطلوب باد نیز مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج بدست آمده بیان کننده این مطلب است که با افزایش سرعت وزش باد میزان توزیع فشار جانبی برج نامطلوب می شود در نتیجه نصب المان های زبری، با کاهش این توزیع فشار جانبی نامطلوب می تواند عاملی جهت بهبود عملکرد برج ها تحت شرایط وزش بادهای متقاطع باشد.همچنین با افزایش نسبت ارتفاع به فاصله المانهای زبری از یکدیگر، روند کاهشی میزان فشار جانبی نامطلوب ادامه می یابد که کاملاً منطبق با مطالعات عددی انجام شده در این زمینه است.

کلمات کلیدی: برج خنک کن جابجایی طبیعی خشک، باد متقاطع، المان زبری، تونل باد، توزیع فشار جانبی.

مقدمه

سیستم خنک کن از جمله ارکان ضروری اکثر صنایع هستند که در نیروگاههای حرارتی اهمیت ویژه ای دارند. در فرآیند خنک کن، منبع دریافت کننده اصلی حرارت، اتمسفر است که گرما را به طور مستقیم و یا به کمک یک سیال واسطه دریافت می کند.سیستم های خنک کن نیروگاهی به سه دسته سیستم های خنک کن یک بار گذر، سیستم های خنک کن تر و سیستم های خنک کن خشک تقسیم می شوند.در سیستم های خنک کن یک بار گذر، آب از منبع طبیعی همانند رودخانه،دریاچه و دریا به درون چگالنده پمپاژ شده و در آنجا پس از تبادل حرارت و گرم شدن به منبع اولیه بازگردانده می شود. در سیستم خنک کن تر، تبادل حرارت عمدتاً از طریق تبخیر آب صورت می گیرد، لذا بایستی یک منبع آب جهت جبران آب تبخیر شده در دسترس باشد و در سیستم های خنک کن خشک تبادل تنها در اثر اختلاف دمای آب و هوای محیط صورت می گیرد.بنابرایندر چنین سیستمی نیازی به دسترس بودن یک منبع بزرگ آب نبوده و یا به عبارت دیگر مصرف آب چنین سیستمی تقریباً صفر می باشد.

استفاده از برج های خنک کن جابجایی طبیعی خشک در نیروگاهها به عنوان سیستم خنک کن، تحت شرایط کافی نبودن آب و مشکلاتی همچون جلوگیری از تلفات آب، از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است، کشور ایران نیز از نظر در اختیار داشتن رودخانه ها و منابع طبیعی آب در زمره کشورهای نسبتاً خشک قرار دارد؛ به همین جهت لزوم استفاده از برج های خنک کن جابجایی طبیعی خشک بیش از پیش نمایان می گردد، به ویژه اینکه طرح تبدیل برج های خنک کن تر به خشک برای بعضی از نیروگاه ها در حال بررسی است. با توجه به موارد فوق، مطالعه و بررسی برج های خنک کن و عوامل تأثیر گذار بر آنها در طراحی نیروگاه حائز اهمیت است. از جمله پارامترهایی که تأثیر منفی در کارکرد سیستم های خنک کن خشک دارد، تغییرات سرعت و جهت وزش باد است که همواره باعث بهبود یا اختلال در کاکرد عادی برج های خنک کن و حتی در برخی مواقع منجر به توقف ناگهانی آنها میگردد.بنابراین شناخت نحوه تأثیرات شرایط محیطی و میزان و شدت این تأثیرات از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است.

به منظور بررسی اثر بادهای جانبی بر روی عملکرد برج های خنک کن، تا کنون مطالعات عددی و تجربی فراوانی انجام گرفته است.داجون و چنکسین[1] مطالعات تجربی وسیعی در زمینه تأثیر بادهای جانبی بر روی یک گروه برج های خنک کن مرتفع با فاصله برابر از هم، در تونل باد سرعت پایین دانشگاه پکینگ انجام دادند.سان و دیگران[2] مطالعات میدانی و تجربی فراوانی بر روی دو برج مجاور دادند.این مطالعات بر روی توزیع فشار پیرامون دو برج هذلولی با فواصل مختلف از هم در تونل باد لایه مرزی اتمسفر یک انجام گرفت.دوپرز و کروگز[3] تاثیر باد را بر روی عملکرد برج های خنک کن جابجایی طبیعی خشک بررسی نمودند.آنها از نرم افزار فونیکس جهت شبیه سازی استفاده کردند. وی و دیگران[4] در مورد اثر نامطلوب باد روی بازده برج های خنک کن خشک، مطالعاتی را انجام دادند و دریافتند که بازده برج های به علت توزیع فشار نامطلوب در ورودی برج و از بین رفتن توده هوای کرم صعودی در برج، کاهش می یابد.نیمن و کوپر[5] تحقیقات وسیعی در آزمایشگاه تونل باد لایه مرزی در آلمان، بر روی اثر ساختمانهای همجوار در تأثیر باد بر برج های خنک کن انجام دادند.تحقیقات آنها بطور کلی در مورد اثر تداخلی برج های خنک کن بر یکدیگر و تأثیر افزایش ارتفاع ساختمانهای همجوار نیروگاه در عملکرد برج ها بود، ارلاندو[6] مطالعات عددی و تجربی فراوانی بر روی تأثیر تداخلی با القایی بین دو برج خنک کن مجاور هم با استفاده از آزمایشگاه تونل باد لایه مرزی دانشگاه فلورنس ایتالیا انجام داد، آمور و دیگران[7] با مطالعات میدانی و تجربی خود در دانشگاه سیدنی استرالیا بر روی تأثیر ساختمانها در نیروگاهها به عنوان یک مانع جهت جلوگیری از تأثیر باد در عملکرد برج های خنک کن خشک، به تأثیر مثبت آنها پی بردند.تحقیقات عددی و تجربی دیگری نیز توسط زای و فو[8] در مورد بهبود عملکرد برج های خنک کن، تحت شرایط وزش بادهای محیطی با استفاده از دیوارهای بادشکن بر روی دو یرج پشت سر هم انجام گرفت. تحقیقات تجربی فراوانی نیز توسط زو و دیگران[9] بر روی اثرات تداخلی بادهای القایی بر روی برج های خنک کن بزرگ انجام شد.فارل[10] نیز به بررسی تأثیر المانهای زبری نصب شده بر روی برجهای خنک کن هذلولی بر توزیع فشار جانبی پرداخت. در این تحقیق مشخص گردید که با افزایش المانهای زبری نصب شده بر روی سطح خارجی برج، میزان فشار جانبی منفی کاهش می یابد.

هدف این مقاله بررسی تجربی تأثیر باد بر عملکرد برجهای خنک کن جابجایی طبیعی خشک است که با مدلسازی یک برج خنک کن و یا استفاده از تونل باد دانشگاه صنعتی شاهرود، این اثر به صورت تجربی بررسی شده است. همچنین به منظور کاهش اثر نامطلوب باد بر عملکرد برج های خنک کن، استفاده از المان های زبری پیشنهاد شده و تأثیر آنها نیز بررسی شده است.

تونل باد و تجهیزات جانبی

تمامی آزمایشات در تونل باد مدار باز جریان آزاد دانشگاه صنعتی شاهرود انجام گرفت. این تونل باد از نوع مدار باز دمشی به طول تقریبی m 18 و ابعاد اتاق آزمایش برابر با عرض cm 80، ارتفاع cm 80و طولcm  200 ساخته شده است.این تونل باد مجهز به یک فن سانتریفوژ و موتور سه فاز kw 45است.

حداکثر سرعت این تونل باد برابر با  ms35بوده که با استفاده از یک کنترل کننده، سرعت جریان هوا قابل تنظیم است، شدت اغتشاشات جریان آزاد در ماکزیمم سرعت تونل باد برابر %0.05 بوده که این مقدار با کاهش سرعت تونل باد افزایش پیدا کرده و در مینیمم سرعت تونل باد (ms 2) به مقدار %0.2 میرسد.تغییرات شدت اغتشاشات جریان آزاد بر حسب تغییر سرعت در مرکز اتاق آزمون در شکل 1 آمده است.

شماتیک تونل باد، اتاق آزمایش، فن سانترفوژ و موتور سه فاز آن نیز در شکل 2 نشان داده شده است. لازم به ذکر است که این تونل باد در پروژه های مختلفی استفاده می گردد.

شکل 1 : تغییرات شدت اغتشاشات بر حسب سرعت در مرکز اتاق آزمون

شکل 2:شماتیک تونل باد و اتاق آزمایش دانشگاه صنعتی شاهرود

در این آزمایشات، توزیع فشار بر روی مدل ها اندازه گیری شد.سیستم اندازه گیری فشاد متشکل از انتقال دهنده فشار، تبدیل کننده آنالوگ به دیجیتال، تطبیق دهنده سیگنال، مولتیمتر، تابلوی کانال، کامپیوتر، و غیره بود.

مدل مورد استفاده در آزمایش

برای اندازگیری توزیع فشار بر روی سطح خارجی برج خنک کن از مدل برج خنک کن واقع در نیروگاه منتظر قائم کرج استفاده شد که دارای ارتفاع m 92 ، قطر پایینی 72 m، قطر بالایی m 49 ، قطر گلوگاه m 48 و ارتفاع مبدلها m 15است.مدل مورد استفاده هذلولی شکل با مقیاس 1400 ابعاد برج اصلی از جنس سفال و به منظور کاهش خطا، قسمت پایینی برج از جنس آهن ساخته شد.

برای اندازه گیری توزیع فشار برج خنک کن، 24 سوراخ با قطر mm 2، در فاصله برابر 15 از همدیگر، دور تا دور مدل در ارتفاع 0.14  Z/H=تعبیه شدند H ارتفاع برج و Z ارتفاع قسمت مورد آزمایش است. لوله های فشار با قطر داخلی mm 1 و قطر خارجی mm2، از یک سو به این سوراخ متصل شدهه و از سوی دیگر به انتقال دهنده فشار در ارتباط با تطبیق دهنده سیگنال، متصل گردیدند. تمام اندازه گیری ها در سیستم ذخیره سازی داده در کامپیوتر ذخیره شدند.سیگنالهای فشار با نرخ  sample/s 200 برداشته شدند.هر کدام از فشارهای میانگین با انتگرال گیری 8192 داده در بازه زمانی 40 s توسط نرم افزار فراسنجش صبا محاسبه گردیدند. جهت برقراری تشابه رینولدز بین مدل آزمایش و برج اصلی از تکنیک زبری[10] استفاده شد.

مدل مورد استفاده در ارتفاع 0.2m از کف تونل باد و در فاصله m 1 از ابتدای اتاق آزمایش بر روی یک صفحه چرخان نصب شده بر کف اتاق آزمایش قرار گرفت.در شکل 3 مدل مورد استفاده نشان د اده شده است، همچنن شماتیک تجهیزات جانبی مورد استفاده در آزمایش در شکل 4 آمده است.

شکل 3:مدل برج خنک کن مورد استفاده در آزمایش

شکل 4:شماتیک تجهیزات جانبی مورد استفاده در آزمایش

نتایج بدست آمده

به منظور تعیین توزیع فشار، ضریب فشار بدون بعد با رابطه زیر تعریف میگردد:

C_p(h,q)=                                                                                                                          (1)

که P_∞ فشار استاتیک جریان آزاد،P(h,q) فشار محلی کلی میانگین بر روی سطح برج در مختصات (h,q),q زاویه قسمت مورد آزمایش،  V(h)سرعت میانگین جریان آزاد در ارتفاع h و h ارتفاع قسمت مورد آزمایش است.

منحنی توزیع فشار بر حسب زاویه q در اعداد رینولدز مختلف مطابق شکل 5 رسم گردید.

شکل 5: منحنی C_p بر حسب q برای اعداد رینولدز مختلف

مطابق شکل بالا، در سمت رو به باد توزیع فشار مثبت بوده و به تدریج در قسمت های جانبی و پشتی برج این مقدار منفی می گردد.جهت بررسی تأثیر نامطلوب افزایش سرعت باد بر توزیع فشار پیرامون برج، با افایش سرعت تونل باد و در نتیجه افزایش عدد رینولدر، منحنی توزیع فشار بر حسب زاویه q بدست آمده و با میانگین گیری از مقادیر بدست آمده، منحنی توزیع فشار میانگین بر حسب عدد رینولدز مطابق شکل 6 ترسیم گردید. آشکار است که با افزایش عدد رینولدز مقدار میانگین توزیع فشار پیرامون برج منفی تر گشته که نشان دهنده اثر نامطلوب افزایش سرعت باد بر عملکرد برج های خنک کن خشک است.

شکل 6: محنی میانگین توزیع فشار بر حسب عدد رینولدز

استفاده از المان های زبری

به منظور کاهش اثر نامطلوب باد بر عملکرد برج های خنک کن، تاکنون پیشهادات مختلفی ارائه شده است.از جمله این روشها استفاده از المانهای زبری است.بدین منظور بر روی سطح خارجی مدل، المانهای زبری چوبی نصب گردید.شماتیک المانهای زبری به کار رفته در آزمایشات در شکل 7 نشان داده شده است.

شکل 7: شماتیک المانهای زبری به کار رفته در آزمایشات

همان گونه که در شکل بالا مشخص شده استh` ارتفاع المانهای زبری و a فاصله بین آنهاست. نصب المانهای زبری در دو آرایش مختلف  h`|a=0.017 و h`|a=0.034 میزان توزیع فشار جانبی برج مجدداً محاسبه گردید. نتایج بدست آمده در حالت استفاده از المانهای زبری برای عدد رینولدز Re=1.7×10⁵  در شکل 8 نشان داده شده است.

شکل 8: منحنی C_pبر حسب q در حالت نبود المانهای زبری و مقایسه آن با حالت استفاده از المانهای زبری مختلف

مطابق شکل بالا در صورت استفاده از المانهای زبری میزان توزیع فشار پیرامون برج مثبت تر گشته و در نتیجه اثر نامطلوب باد کمتر میی شود و افزایش نسبت H|a تأثیر بهتری در کاهش تأثیر نامطلوب باد دارد.

به منظور بررسی تأثیر افزایش نسبت ارتفاع به فاصله المانهای زبری بر میزان توزیع فشار جانبی برج، با میانگین گیری توزیع فشارهای بدست آمده شکل 9 ترسیم گردید.کطابق این شکل با افزایش H|a  روند کاهشی اثر نامطلوب باد ادامه می یابد که منطبق با نتایج عددی بدست آمده در این زمینه است.

شکل9: منحنی میانگین توزیع فشار بر حسب نسبت ارتفاع به فاصله المانهای زبری از یکدیگر

نتیجه گیری

طبق نتایج بدست آمده با وزش باد، توزیع فشار در پیرامون برجهای خنک کن جابجایی طبیعی خشک منفی گشته و از بازده خنک کنندگی آنها کم می شود و همچنین با افزایش سرعت باد این توزیع فشار منفی تر می گردد، از جمله روشهای بهبود عملکرد برج های خنک کن نصب المانهای زبری بر سطح خارجی آنها می باشد.در این مقاله با استفاده از المان های زبری با نسبت H|a مختلف و بررسی توزیع فشارهای بدست آمده، شکار شد که قدر مطلق میانگین فشار جانبی برجها کاهش یافته و به عبارت دیگر میزان بازده خنک کنندگی آنها افزایش میابد و این روند کاهشی با افزایش نسبت  H|a  ادامه می یابد که نتایج عددی موجود را تایید می کند.

نویسنده: محمدحسن کیهانی . رسول محبی . مجتبی خاکسار