عملکرد برج‌های خنک‌کن مرطوب در شرایط مختلف آب و هوایی ایران

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیأت علمی دانشگاه خوارزمی

2 بخش تاسیسات مکانیکی و الکتریکی-مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی-تهران-ایران

چکیده

چکیده
در این مقاله، عملکرد برج­های خنک­کن مرطوب در مناطق مختلف آب و هوایی ایران بررسی می­شود. ابتدا، مدل عددی جامعی که شامل نواحی اسپری، هسته خنک‌کننده و باران برج خنک­کن است، توسعه داده شده است. جهت بررسی صحت مدل‌سازی، نتایج حاصل از آن با اندازه­گیری­های تجربی مقایسه شده است. سپس، تاثیر پارامترهای مختلف مانند فاکتور لوئیس و فشار اتمسفریک هوا در کارایی، دمای آب خروجی و نرخ تلفات آب برج خنک­کن بررسی می­گردد. مشخصات مهم برج­های خنک­کن شامل محدوده سرمایش و نزدیکی نیز برای همه مناطق آب و هوایی به‌دست آمده است. نتایج نشان می­دهد که مشخصات عملکردی برج به شدت به شرایط محیط بیرون وابسته است. به‌دلیل رطوبت پایین و دمای خشک هوای بالا مناطق مرکزی ایران، مقدار محدوده سرمایش به طور چشمگیری بالاست. در مقابل، در مناطق با رطوبت بالا، محدوده سرمایش کمتری به‌دست می­آید. (مناطق ساحلی دریای خزر، خیلج فارس و دریای عمان) در چنین مناطقی، برجهای خنک­کن مرطوب نمی­توانند به تنهایی نیاز سرمایی را تامین نمایند و براساس دمای مرطوب هوا، باید از تجهیرات مناسبی مانند سرمایش تبخیری غیرمستقیم جهت تامین سرمایش بهره برد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عملکرد برج‌های خنک‌کن مرطوب در شرایط مختلف آب و هوایی ایران

 

مریم کرمی1، شهرام دلفانی 2*

1-        استادیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه خوارزمی

2-         دانشیار، مهندسی مکانیک، مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی، تهران

* تهران، 1696-13145، delfani@bhrc.ac.ir

چکیده

در این مقاله، عملکرد برج­های خنک­کن مرطوب در مناطق مختلف آب و هوایی ایران بررسی می­شود. ابتدا، مدل عددی جامعی که شامل نواحی اسپری، هسته خنک‌کننده و باران برج خنک­کن است، توسعه داده شده است. جهت بررسی صحت مدل‌سازی، نتایج حاصل از آن با اندازه­گیری­های تجربی مقایسه شده است. سپس، تاثیر پارامترهای مختلف مانند فاکتور لوئیس و فشار اتمسفریک هوا در کارایی، دمای آب خروجی و نرخ تلفات آب برج خنک­کن بررسی می­گردد. مشخصات مهم برج­های خنک­کن شامل محدوده سرمایش و نزدیکی نیز برای همه مناطق آب و هوایی به‌دست آمده است. نتایج نشان می­دهد که مشخصات عملکردی برج به شدت به شرایط محیط بیرون وابسته است. به‌دلیل رطوبت پایین و دمای خشک هوای بالا مناطق مرکزی ایران، مقدار محدوده سرمایش به طور چشمگیری بالاست. در مقابل، در مناطق با رطوبت بالا، محدوده سرمایش کمتری به‌دست می­آید. (مناطق ساحلی دریای خزر، خیلج فارس و دریای عمان) در چنین مناطقی، برجهای خنک­کن مرطوب نمی­توانند به تنهایی نیاز سرمایی را تامین نمایند و براساس دمای مرطوب هوا، باید از تجهیرات مناسبی مانند سرمایش تبخیری غیرمستقیم جهت تامین سرمایش بهره برد.

کلیدواژگان

برج خنک­کن مرطوب، شرایط آب و هوایی، مدل‌سازی عددی، ایران

 

Performance of Wet Cooling Towers under Various Climates in Iran

 

Maryam Karami1, Shahram Delfani 2*

 

1-        Faculty of Mechanics Engineering, Kharazmi University, Tehran, Iran

2-        Department of Building Installations, Road, Housing and Urban Development Research Center (BHRC), Tehran, Iran

* P.O. Box 13145-1696, Tehran, Iran, delfani@bhrc.ac.ir

Abstract

In this paper, performance of the cooling tower is studied for different climatic regions of Iran. First, a complete mathematical model of cooling tower which contains spray, fill and rain zones is developed. The results are validated by experimental measurements. Then, the important characteristics of the cooling towers consist of the Range and the Approach is obtained for each climatic area. It is found that these characteristics strongly dependent on outdoor conditions. Due to low humidity and high dry-bulb temperature of air in central areas of Iran, Range value is significantly increased. In contrast, the higher the humidity, the lower Range is obtained (along Caspian Sea, Persian Gulf and OmanSea). In such areas, wet cooling towers cannot lonely respond to cooling requirement and based on air wet bulb temperature value can be accompanied with an appropriate auxiliary system such as indirect evaporative cooling (IEC).

Keywords

Wet cooling tower, Various climates, Mathematical model, Iran

 

 

 

1-       مقدمه

سیستمهای خنک­کننده تبخیری در بسیاری از مناطق که دارای آب و هوایی با رطوبت پایین هستند، می­توانند با مصرف انرژی کمتر شرایط آسایش حرارتی را فراهم کنند. یک گروه مهم از این سیستمها، برجهای خنک­کن تر هستند که به منظور کم کردن دمای آب مصرفی در یک نیروگاه یا یک واحد صنعتی به کار می­روند. در واقع، این برجها برای خنک کردن جریان آب گرم از طریق تبخیر مقداری از آب به داخل جریان هوا طراحی می­شوند. برجهای خنک­کن انواع مختلفی دارند، اما برجهای خنک­کن تر کاربرد بیشتری دارند. آب وارد شده به برج، از بالا توسط نازلهایی روی هسته­ خنک­کننده ریخته می‌شود و به سمت پایین جریان می­یابد. هسته خنک­کننده، یکی از مهمترین اجزای برج خنک­کن است که عمده انتقال جرم و حرارت به علت افزایش سطح تماس آب- هوا و همچنین افزایش زمان عبور آب در برج در این ناحیه رخ می­دهد. در حقیقت در این نوع برج‌ها، تماس بین آب و هوا به صورت مستقیم (با جریان مخالف یا متقاطع) است؛ بنابراین انتقال حرارت به دو شکل محسوس و غیر محسوس انجام می­گیرد.

   در برج‌های جریان مکانیکی یا اجباری، جریان هوا توسط یک یا چند فن به‌وجود می‌آید. اگر فن در بالای برج قرار گیرد و هوا را از داخل برج بمکد، برج را نوع مکشی و اگر فن در پایین برج باشد و هوا را به داخل فضای برج براند، نوع رانشی نامیده می­شوند. شکل 1 طرحواره­ای از یک برج خنک­کن با جریان مخالف را نشان می­دهد.

   خان و همکاران در سال 2003 مشخصات عملکردی یک برج خنک­کن تر با جریان مخالف را طبق روش ذکر شده در مرجع [1] مورد بررسی کامل قرار دادند [2]. آنها نسبت جرمی­های مختلف آب به هوا و پتانسیل­های انتقال حرارت جابه­جایی و تبخیری را برای این نسبتها، همچنین فرایند سایکرومتریکی آب در برج را ارزیابی کردند. مجددا, خان و همکارانش یک مطالعه کامل و جامع روی ارزیابی عملکردی و طراحی برجهای خنک­کن مرطوب با جریان مخالف انجام دادند [3].

   فیزنکو و همکاران یک مدل ریاضی برای پیش‌بینی عملکرد یک برج خنک­کن مرطوب مکش طبیعی توسعه داد و نتایج را با نتایج تجربی
صحت­سنجی کرد [4]. او در مقاله بعدی خود, یک مدل ریاضی نیز برای پیش­بینی عملکرد یک برج خنک­کن مرطوب مکانیکی استخراج کرد [5]. این مدل، مساله مقدار مرزی را برای یک دستگاه معادلات دیفرانسیل معمولی بررسی می­کرد.

   کلاپر و کروگر تحقیق کاملی درباره انتقال جرم و حرارت در برج‌های خنک­کن مرطوب با جریان مخالف با استفاده از سه مدل پوپ, مرکل و  و مقایسه­ای بین نتایج سه مدل انجام دادند. همچنین، تاثیر فاکتور لوئیس در عملکرد برج خنک­کن مرطوب با جریان طبیعی را مورد مطالعه قرار دادند [6 و 7].

آب خنک

ناحیه باران

هوای ورودی

به برج

ناحیه اسپری

هوای گرم خروجی از برج

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

هسته خنک­کننده

آب گرم

هوای ورودی

به برج

آب

هوا

شکل 1 طرحواره برج خنک­کن مرطوب با جریان مخالف

   نافون مشخصات انتقال حرارت در یک برج خنک­کن تبخیری را به صورت آزمایشی و تئوریکی با استفاده از همان مدل به‌کار رفته در کار خان و همکاران مورد تحقیق قرار داد [8].

   هدف از مقاله حاضر، علاوه بر ارائه یک مدل ریاضی دقیق از معادلات حاکم بر برج‌های خنک­کن مرطوب، بررسی تاثیر پارامترهای گوناگونی مانند فاکتور لوئیس و فشار اتمسفریک هوا در کارایی، دمای آب خروجی و نرخ تلفات آب برج خنک­کن است. علاوه بر آن، عملکرد برج­های خنک­کن مرطوب براساس شرایط آب و هوایی در مناطق مختلف ایران نیز بررسی می­گردد.

 

2-       مدل ریاضی

یک برج خنک­کن مرطوب شامل سه ناحیه اسپری، هسته خنک­کننده و باران است. برای انجام دادن یک شبیه­سازی کامل از برج خنک­کن، ترکیبی از معادلات حاکم بر این نواحی باید به‌کار رود.

   معادلات حاکم بر ناحیه هسته خنک­کننده با استفاده از موازنه جرم و انرژی بین هوا و آب در حالت پایا به صورت زیر است:

 

(1)

   موازنه جرم بخار- آب سمت هواست:

(2)

 

   از موازنه انرژی سمت آب رابطه زیر به‌دست می­آید:

(3)

 

   با جایگذاری فاکتور لوئیس از رابطه  در معادله (3)، داریم:

(4)

 

   که در آن، فاکتور لوئیس متغیر براساس شکل بوسجانکویچ [9] است:

(5)

 

   که در آن، فاکتور لوئیس (Le) 865/0 و نسبت جرم مولکولی آب به جرم مولکولی هوا (d)، 622/0 است.

   برای مناطق اسپری و باران، سیستم معادلات دیفرانسیلی برای محاسبه فرایندهای انتقال جرم و انرژی بین قطره در حال سقوط و هوای مرطوب بالارونده به صورت زیر خلاصه می‌شود:

(6)

 

(7)

 

(8)

 

(9)

 

(10)

 

   پنج شرط مرزی برای دستگاه معادلات دیفرانسیلی فوق شامل مقادیر اولیه شعاع قطره، دما و سرعت در شروع سقوط قطره و دما و نسبت رطوبت هوا در نقطه پایانی سقوط قطره، موردنیاز است. باید توجه شود که دمای آب ورودی به برج در همه شرایط محیطی به منظور مقایسه، یکسان فرض می­شود.

   روش به‌کاررفته در این تحقیق، حل معادلات حاکم برای برج خنک­کن مرطوب است که جزئیات و صحت­سنجی آن در مقاله حیدری­نژاد و همکاران [9] توضیح داده شده است. برنامه نرم­افزاری توسعه­یافته با استفاده از زبان فرترن در مقاله مذکور برای بررسی عملکرد برج‌های خنک­کن مرطوب در این مقاله نیز به‌کار گرفته شده است.

 

3-      نتایج

3-1-  کارایی و نسبت دما

تعریف کارایی برج خنک­کن به صورت نسبت انرژی واقعی به انتقال انرژی ممکن بیشینه در زیر آمده است:

(11)                                                                                                                              

 

   همچنین، لازم به ذکر است که تفاوت دمای بی­بعد یا نسبت دما در برج خنک­کن به عنوان نسبت افت دمای آب واقعی به بیشینه تعریف می­گردد:

(12)                                                                                                                              

 

   نسبت جریان جرمی آب به هوا در یک برج خنک­کن فاکتور مهمی است و همه ابعاد عملکردی آن را همان‌طور که در شکلهای قبل مشاهده شد،
تحت­تاثیر قرار می­دهد. شکل­های 2 و 3 تغییر در کارایی و نسبت دما را در محدوده معمول نسبت جریان جرمی نشان می­دهد. پارامتر اولی با افزایش نسبت جرمی، افزایش و دومی کاهش می­یابد. در حقیقت، با افزایش نسبت جرمی، انتالپی هوای خروجی از برج افزایش می‌یابد و در نتیجه، کارایی نیز بالا می­رود. از طرفی، با افزایش نسبت جرمی و بالا رفتن دمای آب خروجی، تفاوت آن با دمای آب ورودی کوچکتر و نسبت دما کاهش می­یابد.

 

شکل 2 تغییر کارایی برج با نسبت جریان جرمی

 

شکل 3 تغییر نسبت دمای برج با نسبت جریان جرمی

3-2-  تاثیر فشار اتمسفریک

تحلیل برای چهار حالت نسبت جرمی آب به هوای ( ) 5/0، 75/0، 1 و 5/1 با ثابت نگه داشتن نرخ جریان هوا انجام شده است. سادرلند بیان کرد که با افزایش تقریبا 850 متری در ارتفاع، کاهشی برابر با 10 در فشار اتمسفریک ایجاد می­گردد [10]. این تغییر در فشار اتمسفر به دلیل ارتفاع، به‌طور مشخصی عملکرد برج خنک­­کن را تحت­الشعاع قرار می­دهد؛ زیرا به‌طور مستقیم روی دمای تر هوا  تاثیر خواهد داشت. خان و همکاران نیز نشان دادند که با کاهش فشار اتمسفریک 17، دمای مرطوب هوا 1 کاهش می­یابد [3]. دمای خشک هوا نیز مانند رطوبت نسبی هوا با افزایش ارتفاع کاهش می­یابد.

   شکل 4 نشان می­دهد که نمودار دمای آب خروجی از برج روندی صعودی با فشار اتمسفریک دارد؛ به عبارت دیگر، با کاهش فشار اتمسفریک دمای مرطوب هوای ورودی کاهش و در نتیجه پتانسیل تبخیر افزایش می­یابد؛ بنابراین برج خنک­کن توانایی بیشتری برای خنک کردن آب عبوری از خود دارد.

   دمای آب خروجی از برج با کاهش 21 در فشار اتمسفریک و در  حدود 5/2 کاهش می­یابد و این کاهش در مورد نسبت جرمی­های بالاتر، پایین­تر خواهد بود. به طور کلی، دمای آب خروجی از برج با افزایش نرخ جرمی جریان آب افزایش می­یابد و گفتیم که با کاهش فشار دمای آب خروجی از برج کاهش می­یابد؛ بنابراین، با افزایش نسبت جرمی، کاهش فشار تاثیر کمتری روی دمای آب خروجی دارد؛ در واقع به‌نظر
می­رسد که کاهش فشار با افزایش نسبت جرمی جبران می­شود.  

   با افزایش نرخ جرمی جریان آب، نرخ تلفات آب کمتر و با افزایش فشار اتمسفریک، بیشتر می­شود. این روندها در شکل 5 مشاهده می­گردند؛ یعنی با کاهش دمای مرطوب و افزایش پتانسیل تبخیر هوا، با تبخیر مقدار کمتری از آب، باقی‌مانده آن خنک می­شود. میزان کاهش تلفات آب با کاهش فشار اتمسفریک در نسبت جرمی بالاتر، بیشتر است.

 

شکل 4 تغییرات دمای آب خروجی از برج با فشار اتمسفریک

 

شکل 5 تغییرات نرخ تلفات آب با فشار اتمسفریک

 

3-3- تاثیر فاکتور لوئیس

در این مقاله فاکتور لوئیس ثابت فرض نشده و از رابطه (5) در مدل­سازی استفاده می­گردد. سه فاکتور لوئیس مختلف برای بررسی تاثیر این رابطه در عملکرد برج‌های خنک­کن مرطوب مکانیکی به‌کار رفته است. تفاوتهای بین نتایج، مطابق با مقادیر مختلف فاکتور لوئیس در شرایط عملکردی متفاوت، مورد بررسی قرار گرفته­اند. سه دمای هوای ورودی 10 و 35 در نظر گرفته شده و رطوبت هوا از حالت خیلی خشک تا حالت اشباع در هر سه دما تغییر می­کند؛ بنابراین، تاثیر فاکتور لوئیس روی عملکرد برج خنک­کن در محدوده وسیعی از شرایط آب و هوایی تعیین می­گردد. نتایج نموداری زیر برای دو دمای هوای ورودی 10 و  35 هستند.

   نرخهای تلفات آب برای سه فاکتور لوئیس مختلف در شرایط هوایی کاملا خشک تا اشباع در دماهای هوای ورودی 10 و 35 در شکل 6 (الف) و (ب) مشاهده می­شوند. همان‌طور که در شکل 6 دیده می­شود، نرخ تبخیر آب در فاکتورهای لوئیس پایین­تر، بالاتر است؛ بنابراین، هوا در فاکتورهای لوئیس پایین­تر نسبت به فاکتورهای لوئیس بالاتر، بسیار سریعتر اشباع می­شود. اختلاف بین نرخ‌های تبخیر آب در برج‌های خنک­کن در فاکتورهای لوئیس 5/0 و 3/1، تقریبا 5% در 10 و به 3% در 35 کاهش می­یابد. بدیهی است که تاثیر فرضیات و تعاریف به‌کار رفته در روشهای تحلیلی مختلف برج‌های خنک­کن به‌ویژه فاکتور لوئیس در نظر گرفته شده، روی نتایج عملکرد برج خنک­کن در صورتی که هوای ورودی به برج نسبتا گرم و مرطوب باشد، ناپدید خواهد شد. به هر حال، نرخ تلفات آب وابستگی شدیدی به فاکتور لوئیس دارد و این امر به دلیل تعریف فاکتور لوئیس یعنی
"نشان­دهنده نسبت نرخ‌های انتقال حرارت و جرم در یک فرایند تبخیری " است.

 

(الف)

 

(ب)

شکل 6  نرخ تلفات آب با نسبت رطوبت هوای ورودی برای سه فاکتور لوئیس مختلف  و دماهای خشک هوای ورودی  10 و  35

 

   دمای آب خروجی برای سه فاکتور لوئیس مختلف در شرایط هوایی کاملا خشک تا اشباع در دماهای هوای ورودی 10 و 35 در شکل 7 (الف) و (ب) مشاهده می­شود. از آنجا که در فاکتورهای لوئیس بالاتر مقدار گرمای بیشتری دفع می‌شود، در نتیجه دمای آب خروجی، کمتر خواهد بود. اختلاف بین دماهای آب خروجی در فاکتورهای لوئیس 5/0 و 3/1، به ترتیب        78/1 برای دمای هوای ورودی 10 و 45/0 در دمای هوای ورودی 35 برای حالت اشباع است. وقتی هوای ورودی نسبتا گرم و مرطوب باشد، مجددا تفاوت عمده­ای بین نتایج شکل 7 (ب) وجود ندارد.

 

(الف)

 

(ب)

شکل 7  تغییرات دمای آب خروجی با نسبت رطوبت هوای ورودی برای سه فاکتور لوئیس مختلف و دماهای خشک هوای ورودی 10 و 35

 

4-4-  تاثیر شرایط آب و هوایی

کشور پهناور ایران، به علت قرار گرفتن در موقعیت جغرافیایی خاص و دارا بودن عوامل مختلف محیطی از قبیل دریای آزاد، دریاچه، کویر، کوهستان و جنگل، دارای مناطقی با آب و هوای متفاوت است و از این رو، در فصول مختلف سال، شرایط اقلیمی متغیری را می­توان مشاهده نمود.

   نواحی مختلف کشور را طبق شرایط جوی و با توجه به حداکثر و حداقل درجه حرارت و میزان رطوبت نسبی و پارامترهای دیگری که از آمارهای هواشناسی استخراج می­گردند، می­توان به مناطق مختلفی تقسیم­بندی نمود.

مناطق آب و هوایی مختلف ایران در شکل 8 نشان داده شده است. براساس شرایط طرح محیط بیرون در تابستان، ایران پنج منطقه آب و هوایی مختلف (گرم و خشک، گرم و مرطوب، گرم و نیمه مرطوب، معتدل و خشک، معتدل و مرطوب) دارد. در هر شهر، مشخصات مهم برج خنک­کن مانند محدوده سرمایش و نزدیکی به دمای مرطوب هوا که به شرح زیر تعریف می­شود، ارائه شده است. محدوده سرمایش  برج خنک­کن از اختلاف دمای ورود و خروج آب به برج (معادله 13) و نزدیکی از اختلاف دمای خروج آب و دمای مرطوب هوای محیط (معادله 14) به‌دست می­آید:

(13)

 

(14)

 

   اندازه برج خنک­کن برای مدل‌سازی شبیه به برج خنک­کن بررسی­شده در مقاله سیمپسون و شروود [12] است. (حجم برج خنک­کن =1.057m 0.61m 2.13 m، ارتفاع هسته خنک­کننده=1.05)

 

شکل 8 تقسیم­بندی آب و هوایی ایران

   همان‌طور که در شکل 9 مشاهده می­شود، تغییرات محدوده سرمایش با تقسیمات شکل 8 توسط شرایط محیط بیرون سازگار است. از آنجا که کشور ایران تنوع آب و هوایی دارد، محدوده از 10 در مناطق مرطوب تا 18 در مناطق خشک متغیر است. بدیهی است که برج خنک­کن با محدوده بالاتر عملکرد بهتری دارد و بار سرمایشی بیشتری را فراهم می­کند. در آب و هواهای گرم و خشک که اختلاف بین دمای خشک و دمای مرطوب هوا بیشتر از سایر مناطق است، بیشینه مقدار محدوده به‌دست آمده است. در حقیقت، به دلیل رطوبت کمتر، ظرفیت هوا برای دریافت رطوبت بیشتر از دیگر مناطق است و نرخ تبخیر آب نیز بالاتر است. این امر نه تنها منجر به کاهش دمای آب خروجی می­شود، بلکه به بهبود عملکرد برج خنک­کن
می­انجامد. در مناطق بسیار مرطوب مانند جنوب و شمال ایران (در امتداد دریاچه خزر، خلیج فارس و دریای عمان)، تبخیر به شدت کاهش می‌یابد و بار سرمایشی کمتری می­تواند توسط برج تامین شود. باید توجه شود که در مناطق مرطوب، برج خنک­کن بسیار بزرگ با نرخ جریان بیشتر برای دستیابی به سرمایش موردنظر به‌کار رود. برای مثال، برج خنک­کنی در بوشهر با دمای مرطوب هوای 9/30 باید 5/3 برابر بزرگتر از برج خنک­کن در کرمان با دمای مرطوب 5/19 باشد تا بتواند محدوده سرمایش مشابهی را تامین کند. به همین دلیل، در بیشتر موارد استفاده از برج­های خنک­کن در مناطق مرطوب مقرون به ‌صرفه نیست. باید خاطرنشان کرد که در مناطق بسیار مرطوب، دمای مرطوب هوا به‌قدری بالاست که آب نمی­تواند تا مقدار دمای موردنیاز در کندانسور خنک شود. بنابراین، کندانسورهای هواخنک باید در این شرایط به‌کار رود.

   نتایج شکل 9 نشان می­دهد که رطوبت بالا تاثیر چشمگیرتری در علمکرد برج نسبت به دمای پایین دارد. برای مثال، آب می­تواند در تبریز (منطقه معتدل و خشک) تا 85/15 خنک شود، ولی محدوده سرمایش در رامسر (منطقه معتدل و مرطوب) تنها 88/13 است. به صورت مشابه، در منطقه گرم و نیمه مرطوب مانند آبادان، محدوده سرمایش حدود 2/12 است درحالی که در شهری مانند بوشهر (منطقه گرم و مرطوب) حدود 22/11 است.

   اگرچه نزدیکی کمتر عملکرد بهتر برج را نشان می­دهد، همان‌طور که در شکل 10 مشاهده می­شود، دمای مرطوب بالاتر، نزدیکی کمتری را به همراه دارد. این امر به دلیل این است که دمای آب ورودی در چنین مناطقی به مقدار کمی کاهش می­یابد و از آنجا که دمای آب ورودی در همه شهرها یکسان فرض شده است، مقدار نزدیکی کمتر نسبت به شرایط خشک به‌دست می­آید. 

 

شکل 9 توزیع محدوده سرمایش برج خنک­کن مرطوب برای شهرهای ایران

 

 

شکل 10 توزیع نزدیکی برج خنک­کن مرطوب برای شهرهای ایران

 

4-      نتیجه گیری

از نتایج به‌دست آمده، نتیجه­گیری زیر حاصل می­گردد:

  • با افزایش نسبت جرمی، انتالپی هوای خروجی از برج افزایش می‌یابد و در نتیجه، کارایی نیز بالا می­رود.
  • در برج‌های خنک­کن، ارتفاع از سطح دریای بالاتر (فشار اتمسفریک پایین­تر) نتایج زیر را به همراه دارد: (1) کاهش در دمای مرطوب؛ (2) کاهش در دمای آب خروجی؛ و (3) کاهش نرخ تلفات آب.
  • نرخ تلفات آب بستگی شدید به فاکتور لوئیس دارد و این امر به دلیل تعریف فاکتور لوئیس یعنی: "نشان­دهنده نسبت نرخ‌های انتقال حرارت و جرم در یک فرایند تبخیری" است. با افزایش فاکتور لوئیس، نرخ دفع گرما افزایش، دمای آب خروجی کاهش و نرخ تلفات آب نیز کاهش می­یابد.
  • با استفاده از مدل کامل یعنی مدل­سازی هر سه ناحیه (اسپری، هسته خنک­کننده و باران)، حجم هسته خنک­کننده برج برای سرمایش یکسان، در شهر رامسر بیش از 5/1 برابر حجم برج در شهر کرمان و در شهرهای آبادان و بوشهر بیش از 5/2 برابر آن، محاسبه می‌گردد. به‌طور کلی، در میان شهرهای ایران، کرمان کمترین و بوشهر بیشترین حجم برج را برای سرمایش یکسان نیاز دارند. از طرفی با توجه به این نکته که دمای مرطوب هوا، کمترین دمایی است که آب ضمن تماس با هوا، می­تواند بدان برسد؛ دمای مرطوب بالای هوا در شهرهایی مثل آبادان، رامسر و بوشهر موجب می­شود که کاربرد این نوع برج‌ها در این شهرها محدود و در برخی موارد، ناممکن گردد.

 

5-      فهرست علایم

 

سطح قطره آب بر واحد حجم برج ( )

 

ظرفیت گرمایی ویژه در فشار ثابت ( )

 

ضریب درگ قطره

 

شتاب جاذبه ( )

 

انتالپی هوای مرطوب ( )

 

ضریب انتقال حرارت جابه‌جایی هوا ( )

 

ضریب انتقال جرم جابه‌جایی ( )

 

انتالپی ویژه آب اشباع در  ( )

 

انتالپی ویژه بخار آب اشباع در  ( )

 

انتالپی تغییر فاز ( )

 

ارتفاع (m)

 

فاکتور لوئیس

 

جرم (kg)

 

نرخ جرمی جریان ( )

 

شعاع (m)

 

دمای خشک هوای مرطوب ( )

 

دمای آب ( )

 

سرعت ( )

 

حجم ( )

 

نسبت رطوبت هوای مرطوب ( )

 

راستای محوری

علایم یونانی

 

چگالی (kgm-3)

زیرنویس­ها

 

هوا

 

قطره

 

ورودی

 

خروجی

 

هوای مرطوب اشباع در دمای آب

 

آب

 

حباب مرطوب

 

6-       مراجع

1-       Kuehn T.H., Ramsey J.W. and Threlkeld J.L., Thermal Environmental Engineering, third ed., Prentice-Hall Inc., New Jersey, 1998.

2-       Khan J.R., Yaqub M. and Zubair S.M., Performance characteristics of counter flow wet cooling towers, Energy Conversion and Management, vol. 44: pp. 2073–2091, 2003.

3-       Khan J.R., Qureshi B.A. and Zubair S.M., A comprehensive design and performance evaluation study of counter flow wet cooling towers, ASMEJ Heat Transfer, vol. 123: pp. 770–8, 2004.

4-       Fisenko S.P., Petruchik A.I. and Solodukhin A.D., Evaporative cooling of water in a natural draft cooling tower, Int. J. Heat Mass Transfer, vol. 45: pp. 4683–4694, 2002.

5-       Fisenko S.P., Brin A.A. and Petruchik A.I., Evaporative cooling of water in a mechanical draft cooling tower, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol.47: pp. 165–177, 2004.

6-       Kloppers J.C., Kroger D.G., A critical investigation into the heat and mass transfer analysis of counter flow wet-cooling towers, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 48, pp. 765–777, 2005.

7-       Kloppers J.C., Kroger D.G., The Lewis factor and its influence on the performance prediction of wet-cooling towers, International Journal of Thermal Sciences, vol. 44, pp. 879–884, 2005.

8-       Naphon P., Study on the heat transfer characteristics of an evaporative cooling tower, International Communications in Heat and Mass Transfer, vol. 32, pp. 1066–1074, 2005.

9-       Ghassem Heidarinejad, Maryam Karami, Shahram Delfani, Numerical simulation of counter-flow wet-cooling towers, International Journal of  Refrigeration 32, pp. 996 – 1002, 2009

10-    Sutherland, J.W, Analysis of Mechanical Draught Counter flow Air/Water Cooling Tower, Journal of Heat Transfer, Vol. 105, pp. 576-583, 1983.

 

6-       مراجع

1-       Kuehn T.H., Ramsey J.W. and Threlkeld J.L., Thermal Environmental Engineering, third ed., Prentice-Hall Inc., New Jersey, 1998.

2-       Khan J.R., Yaqub M. and Zubair S.M., Performance characteristics of counter flow wet cooling towers, Energy Conversion and Management, vol. 44: pp. 2073–2091, 2003.

3-       Khan J.R., Qureshi B.A. and Zubair S.M., A comprehensive design and performance evaluation study of counter flow wet cooling towers, ASMEJ Heat Transfer, vol. 123: pp. 770–8, 2004.

4-       Fisenko S.P., Petruchik A.I. and Solodukhin A.D., Evaporative cooling of water in a natural draft cooling tower, Int. J. Heat Mass Transfer, vol. 45: pp. 4683–4694, 2002.

5-       Fisenko S.P., Brin A.A. and Petruchik A.I., Evaporative cooling of water in a mechanical draft cooling tower, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol.47: pp. 165–177, 2004.

6-       Kloppers J.C., Kroger D.G., A critical investigation into the heat and mass transfer analysis of counter flow wet-cooling towers, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 48, pp. 765–777, 2005.

7-       Kloppers J.C., Kroger D.G., The Lewis factor and its influence on the performance prediction of wet-cooling towers, International Journal of Thermal Sciences, vol. 44, pp. 879–884, 2005.

8-       Naphon P., Study on the heat transfer characteristics of an evaporative cooling tower, International Communications in Heat and Mass Transfer, vol. 32, pp. 1066–1074, 2005.

9-       Ghassem Heidarinejad, Maryam Karami, Shahram Delfani, Numerical simulation of counter-flow wet-cooling towers, International Journal of  Refrigeration 32, pp. 996 – 1002, 2009

10-    Sutherland, J.W, Analysis of Mechanical Draught Counter flow Air/Water Cooling Tower, Journal of Heat Transfer, Vol. 105, pp. 576-583, 1983.