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

 بهبود عملکرد سه برج خنک کن هلر با استفاده از تزریق دود و دیوارهای بادشکن در جهات وزش باد

 چکیده

یکی از رایج ترین انواع برج های خنک کن خشک در نیروگاهها برج های با مکش طبیعی (هلر) می باشد. عملکرد این برج ها به شدت تحت تاثیر شرایط محیط بویژه سرعت باد قرار می گیرد.استفاده از اگزرژی باقی مانده در دود خروجی از سیستم تولید بخار که دمایی حدود 130 درجه سانتیگراد دارد، به منظور تزریق در برج های خنک کن خشک با مکش طبیعی بعنوان یکی از روشهای نوین بهبود عملکرد برج ها در کنار استفاده از دیوارهای بادشکن مورد مطالعه قرار گرفته و معادلات ناویر استوکس و انرژی بزای شبیه سازی جریان هوا و حرارت؛ به روش دینامیک سیالات محاسباتی در شرایط سه بعدی، جریان تراکم ناپذی، با در نظر گرفتن نرم شناوری، شرایط مرزی مناسب و در نظر گرفتن جریان بادغالب؛ حل شده است.نتایج حاکی از بهبود عملکرد برج های خنک کن در اثر استفاده از دو روش فوق می باشد.هنگامی که سه برج همراستا در معرض وزش باد قرار بگیرند عملکرد بهتری نسبت به همان برجها به صورت تکی از خود نشان می دهند زیرا هر یک از برجها در دنباله جریان برج های دیگر قرار گرفته و برجهای جلویی نقش بادشکن را برای برجهای پشتی ایفا می کنند.

کلمات کلیدی:تزریق دود حاصل از احتراق، وزش باد،سه برج خنک همراستا، دیوار بادشکن، راندمان حرارتی

مقدمه

با کشف قدرت بخار آب، منابع انرژی، اغلب به منظور تولید انرژی مورد استفاده قرار گرفتند. در کشور ما ایران نیز با توجه به وجود منابع خدادادی سوخت های فسیلی،توجه بیشتری به سمت نیروگاه های حرارتی معطوف شده است.طی دو دهه گذشته، با افزایش شدید بهای انرژی و مشکلات زیست محیطی پدید آمده، مسائل مرتبط با انرژی در صدر برنامه ریزی ها قرار گرفته است. برنامه ها و تلاشهای زیادی برای بهره برداری مناسب از انرژی و بهبود فرایندها صورت پذیرفته است.مطالعات نشان می دهند که نیروکاه های حرارتی مدرن بیش از 60% حرارت ورودی را هدر می دهند.از این مقدار حدود 15-10% توسط گازهای داغ از اگزوز به بیرون رها می شود، حدود 45% هم از طریق کندانسور نیروگاه به محیط ریخته می شود[5]. در شکل 1 می توان جایگاه برج خنک کن خشک با مکش طبیعی که یکی از اجزاء اصلی سیستم خنک کن نیروگاهی بوده و نقش مهمی در صرفه جویی در زمینه انرژی و آب ایفا می کند را در چرخه یک نیروگاه سیکل ترکیبی مشاهده کرد.این نوع سیستم خنک کن عمدتاً در مناطق خشک جهان که با کمبود منابع آب روبرو هستند، مانند آفریقا، خاورمیانه، شمال چین و ایران قابل استفاده می باشد.

شکل 1:شماتیک نیروگاه سیکل ترکیبی با برج خنک کن

عملکرد برج های خشک شدیداً به شرایط محیطی، از جمله شرایط وزش باد که می تواند بیش از 40% ظرفیت خنک کاری کلی برج را کاهش دهد، وابسته می باشد.از اینرو، بررسی تأثیر وزش باد بر عملکرد برج های خنک کن و ارائه روش هایی برای بهبود عملکرد آنها در جهت افزایش کارایی و کاهش اتلاف انرژی اهمیت دارد.

اندازه گیری هایی در مقیاس واقعی برای مطالعه عملکرد حرارتی برج های خنک کن خشک صورت گرفته است. اما با توجه به اندازه بسیار بزرگ برج های خنک کن خشک و فیزیک پیچیده جریان سیال در آنها، انجام آزمایش هایی مانند اندازه گیری توزیع سرعت و دمای جریان سیال دشوار می باشد لذا بهره گیری از روش های عددی( CFD)برای اندازه گیری، متداول می باشد. برج های خنک کن مورد مطالعه، سه برج خنک کن با مکش طبیعی از نوع هلر که به صورت همراستا در نیروگاه سیکل ترکیبی فارس نصب شده، می باشند.

اطلاعات مربوط به طراحی برج های خنک کن در شکل 2 ارئه شده است. امتداد برج های خنک کن نیروگاه سیکل ترکیبی فارس در جهت شمال غربی بوده و در طول جغرافیایی 52 درجه و 26 دقیقه و عرض جغرافیایی 29 درجه و 36 دقیقه واقع می باشد.با استفاده از اطلاعات آماری که از محل نیروگاه ثبت شده است در اکثر مواقع هوا آرام بوده و سرعت باد 1 تا 2 متر بر ثانیه در سطح زمین گزارش شده است. در این تحقیق سه برج خنک کن همراستا در شرایط وزش باد مورد مطالعه قرار گرفته و اثرات برجها روی یکدیگر.اثرات تزریق دود بدون برج ها و استفاده از دیوارهای بادشکن تحت این شرایط روی عملکرد سه برج بررسی گردیده است در پایان نتایج حاصل با اطلاعات تجربی مقایسه شده اند.

مطالعه بر روی اثرات وزش باد روی راندمان برج های خنک کن مختلف، قسمتی از تحقیقات پیشین را شامل می شود. ال-ویکد و بهنیا[1]: شبیه ساز سه بعدی جریان داخل و اطراف یک برج خشک با مکش طبیعی را انجام دادند.غفاری و همکاران[4]؛ به بررسی اثرات باد و دمای محیط روی برج خنک کن خشک پرداختند؛ بطوریکه اثرات وزش باد با سرعت های مختلف را بر روی یک برج خنک کن خشک (هلر) بررسی کرده و سپس به مقایسه آثار نامطلوب وزش باد روی برج پرداختند و در تحقیق دیگر آثار وزش باد را به سه برج همراستا تعمیم دادند[7]. الدرج و همکاران[2] و کوپر و همکاران[3]؛ به بررسی اثر قرار دادن یک منبع حرارتی درون برج تر روی عملکرد برج های خنک کن با مکش طبیعی از نوع تر پرداختند.جهانگیری . گلنشان [8]،[9] و[10]؛ به بررسی بهبود عملکرد حرارتی یک برج هلر،در مجاورت وزش باد، به کمک تزریق دود خروجی از نیروگاه سیکل ترکیبی به درون آن پرداختند.

در مطالعه حاضر استفاده از اگزرژی باقی مانده در دود خروجی از سه واحد نیروگاه سیکل ترکیبی که دمایی حدود 130 درجه سانتیگراد دارد به منظور تزریق در درون سه برج هلر همراستاست (حاوی دیوارهای بادشکن)، مورد بررسی قرار گرفته است. در نهایت نشان داده می شود که علاوه بر آثار مثبت مجاورت سه برج، تزریق دود و دیوارهای بادشکن، مکش هوا به درون برج ها را افزایش داده و به نوبه خود موجب کاهش دمای آب خروجی از برج ها و افزایش راندمان حرارتی برج ها میگردد.

معادلات حاکم

در پژوهش حاضر یک جریان تراکم ناپذیر سه بعدی و دائم شبیه سازی شده است، بدیهی است معادلات حاکم شامل معادله بقاء جرم (پیوستگی)، معادله اندازه حرکت و معادله انرژی و معادلاتk-Ɛ  هستند.فرضیه لزجت گردابه ای بوزیتیسک برای تنش های رینولدز استفاده شده است. در معادلات اندازه حرکت، ترم بویانسی در جهت عمودی اضافه شده است. معادلات اساسی معادلات رینولدز بوده .

.

CFDمدلسازی

در پژوهش حاضر با استفاده از روشCFD ، معادلات ناویراستوکس و انرژی برای مدل سازی جریان هوا و انتقال حرارت درون و بیرون برج های خنک کن، حل شده و از الگوریتم SIMPLE برای ارتباط فشار و سرعت استفاده شده است. برج های خنک کن در مقیاس واقعی، مطابق شکل 2 شبیه سازی می گردد.

شکل2: نمایی از برج خنک کن خشک مورد مطالعه

در این مساله هوا از معادله تقریبی بوزینسک تبعیت میکند؛ همچنین عبور در مبدل حرارتی تنها بصورت عمودی صورت خواهد گرفت.شکل پروفیل سرعت وزش باد از قاعده توانی و بورت زیر فرض می شود که با دقت در ضابطه آن مشخص است که در ارتفاعات زیادتر از مرجع تقریباً به شکل یک عدد ثابت عمل می کند:

شرایط مرزی:

شرایط مرزی، متغیرهای جریان و حرارت را در ورودی مرزها ی فیزیکی دامنه مشخص می کنند که در شکل 3 نحوه انتخاب آنها مشاهده می شود.

شکل 3: شرایط و دامنه محاسباتی بری سه برج خنک کن همراستا همراه با دیوارهای بادشکن

ابعاد دامنه محاسباتی باید انقدر بزرگ انتخاب شود که مرزهای انتهایی، روی حل جریان بی تأثیر باشند.شرط مرزی دیوار برای مرزهای جامد (زمین، جداره (پوسته برج)، دیوارهای بادشکن و لوله هایی که برای تزریق دود داغ بداخل برج ها وارد شده اند) بکار رفته است.لازم به توضیح است که 4 دیوار بادشکن با آرایش "+" و به طول 20m متر و ارتفاع 15m بطور متقارن پیرامون هر یک از برج ها در نظر گرفته شده است. برای تزریق دود بدرون برج لوله ای فرضی درون برج پیش بینی شده است که دبی دودی معادل  362 kg/s و با دمای 403K را داخل برج تخلیه می نماید.شرایط مرزی سرعت ورودی به منظور تعریف سرعت و خصوصیات اسکالر جریان ورودی به مرز است.مولفه های سرعت در جهت جریان مساوی سرعت وزشی باد بوده و دیگر مولفه ها مساوی صفر هستند.دمای هوا مساوی 288K و برای انواع سرعت های وزش باد و تزریق دود ثابت در نظر گرفته می شود.

شایان ذکر است که در شرط مرزی رادیاتور که برای مدل کردن مبدل های حرارتی برج بکار می رود؛ رادیاتورها بصورت بینهایت نازک و افت فشار و ضریب انتقال حرارت آنها مطابق روابط زیر، متناسب با دبی هوا در نظر گرفته می شود[4].

شبکه بندی دامنه حل

جهت بررسی تأثیر وزش باد، دیوارهای باشکن و تزریق دود بر نتایج جریان و انتقال حرارت روی برج خنک کن پس از مطالعه شبکه و بررسی عدم وابستگی حل به شبکه؛ ا شبکه های سازمان یافته نوع H-O استفاده شده است که شکل 4 در دو نمای نزدیک و دور از برج ها، این شبکه ها را نشان می دهد.

شکل 4: شبکه بکار گرفته شده برای شبیه سازس جریان در داخل  و خارج سه برج خنک کن همراستا

مطالعه شبکه

برای اطمینان از مستقل بودن جواب ها نسبت به شبکه، انتقال حرارت از برج و پارامترهای جریان، نظیر فشار و مقادیر مربوط به مدل توربولانسی k-Ɛ، برای چندین شبکه متفاوت مقایسه شده که در جدول 1 دو مورد به عنوان نمونه ارائه شده و تعداد شبکه 9326235، بعنوان مناسبترین شبکه انتخاب شده است.

جدول 1: مقایسه مقدار حرارت دفع شده از سه برج همراستا با تزریق دود و دیوار باشکن برای شبکه های مخلف در سرعت وزش باد5 m/s  و زاویه حمله صفر

جدول 2 تنایج به دست آمده از حل عددی را مقایسه با شرایط طراحی (اسمی) و مقادیر اندازه گیری شده برای هر یک برج های خنک کن نشان می دهد. همانگونه که مشاهده می شود نتایج حاصل از حل عددی با نتایج گزارش شده توسط شرکت سازنده، در شرایط اسمی تطابق خوبی دارد.

جدول 2:حرارت دفع شده در مبدل های برج(بدون تأثیر باد)

نتایج

نتایج حل معادلات جریان و انرژی پس از اطمینان از همگرایی بصورت توزیع فشار و بردارهای سرعت هوا؛ مورد بررسی قرار گرفته است.

با توجه به اینکه در اکثر نیروگاههای تولید برق از جمله نیروگاه سیکل ترکیبی فارس تعدادی از این برج ها در کنار یکدیگر مورد بهره برداری قرار گرفته اند.لذا در این تحقیق سه برج خنک کن خشک همراستا را مورد مطالعه قرار می دهیم و با استناد به مفید بودن استفاده از دیوارهای بادشکن اطراف سه برج همراستا  نیز با استفاده از نتایج حاصله از بررسی تزریق دود روی یک برج منفرد. تأثیر تغییر سرعت و جهت وزش باد در راستای قرار گرفتن سه برج در شرایط تزریق دود و استفاده از دیوار بادشکن با آرایش "+" بطور همزمان بر عملکرد حرارتی برج ها بررسی می شود.

بدیهی است با توجه به ترتیب قرارگیری برج ها در معرض وزش باد، میزان حرارت دفع شده از آنها نیز متغیر خواهد بود زیرا دنباله جریانی که هر یک از برج ها ایجاد می کند دیگری را تحت تأثیر خود قرار داده و بسته به اینکه اندازه این دنباله چقدر باشد در میزان هوای ورودی به برج بعدی اثر می گذارد و گرمای دفع شده از برج ها نیز متفاوت خواهد شد.

تغییرات سرعت باد در جهت همراستا با امتداد سه برج

با توجه به شکل 5، میزان حرارت دفع شده از هر سه برج در دو حالت بدون استفاده از روشهای بهبود عملکرد و با استقاده از آنها مورد مقایسه قرار گرفته شده است و همانطور که دیده می شود بهبود عملکرد قابل قبولی در هر سه برج در حالت زاویه حمله صفر درجه بوقوع پیوسته است.

بمنظور مقایسه بهتر در شکل 6 میزان میانگین حرارت دفع شده از سه برج در دو حالت بدون استفاده از روشهای بهبود عملکرد و با استفاده از آنها با مقادیر حرارت دفعی از یک برج منفرد در حالات مجهز به دیوار بادشکن یا تزریق دود یا هر دو روش بطور همزمان، صورت پذیرفته است که نتایج حاصله موثر واقع شدن استفاده از روش های بهبود عملکرد را بهتر توصیف می نماید.

نتیجه گیری و جمع بندی

نتایج حاصل از سه برج همراستا در شرایط تزریق دود و همراه با استفاده از دیوارهای بادشکن با آرایش "+" که در جهات مختلف وزش باد بدست آمده نشان از افزایش عملکرد هر سه برج داشته و تفاوت  اساسی رفتار بین یک برج منفرد و سه برج همراستا به وجود اثری که هر یک از برجها بر روی یکدیگر در شرایط مختلف وزش باد دارند، برمیگردد.

نتایج نشان می دهد که:

هنگامی که سه برج همراستا در معرض وزش باد هم جهت قرار بگیرند عملکرد بهتری نسبت به همان برج ها به صورت تکی یا در زوایای حمله دیگر از خودشان نشان می دهند زیرا برج های بعدی در میدان جریان برج قبلی قرار گرفته و در حقیقت برج های جلویی نقش باشکن را برای برج های پشتی ایفا می کنند.

در این حالت ترکیبی از سه عامل مختلف بر عملکرد حرارتی برج های خنک کن در معرض وزش باد موثر می باشد:

اثر برج ها بر یکدیگر

وجود دیوارهای بادشکن

تزریق دود داغ

نتایج حاصله در زمینه توزیع فشار و دما و میدان سرعت جریان و همچنین میزان حرارتی که برج ها دفع می کنند نشان می دهند که برآیند سه اثر مذکور،راندمان حرارتی برج ها را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد.این امر بیانگر کارآمد بودن این روش ها در بهبود عملکرد برج های خنک کن می باشد.

 نویسنده: علی جهانگیری . علی اکبر گلنشان