پايان نامه بررسی برج های خنک کننده cooling tower

جزئیات و دریافت

این پایان نامه در قالب فرمت word قابل ویرایش ، آماده پرینت و ارائه به عنوان پروژه پایانی میباشد

چکیده
طراحی و ساخت قسمتهای مختلف یک واحد صنعتی به منظور ایجاد هماهنگی در عملکرد کلیه قسمتهای این واحد صنعتی، از اهمیت خاصی برخوردار است. برجهای خنک کن از دیرباز یکی از مهمترین قسمتهای مکانیکی در یک واحد صنعتی بوده اند. این برجها در صنایع پتروشیمی و پالایشگاهها و همچنین در نیروگاهها کاربرد فراوان دارند. تکنولوژی پیچیده و پر هزینه ساخت و طراحی این برجها، یکی از منابع درآمد سرشار شرکتهایی است که در این زمینه فعالیت می کنند. اهمیت تجاری و صنعتی این تکنولوژی، رقابت شدیدی را بین سازندگان این برجها بوجود آورده است.
در عصر حاضر به کارگیری ابزارهای پیشرفته و دقیق، چشم انداز جدیدی را پیش روی انسان قرار داده است و مرزهای جدیدی از علم و صنعت توسط آنها گشوده شده اند. در این میان کامپیوتر یکی از قوی ترین ابزار در دست بشر 
می باشد. انجام محاسبات حجیم و طولانی توسط این ابزار در کمترین زمان ممکن صورت می گیرد. بنابراین بر آن شدیم تا در طراحی برجهای خنک کن نیز این وسیله را به خدمت بگیریم. پایان نامه حاضر با توجه به نیاز صنایع به امر طراحی برجهای خنک کن و نیز بررسی عملکرد یک برج در یک واحد صنعتی تهیه و تنظیم شده است.
در این پایان نامه ابتدا به معرفی و دسته بندی برجهای خنک کن می پردازیم و سپس دسته بخصوصی از این برجها را تحت عنوان برجهای خنک کن مرطوب با جریان مخالف، منظور کرده و بصورت مشروح به آنها می پردازیم. در فصلهای این پایان نامه روشهای طراحی برجهای خنک کن معرفی می شوند و از بین آنها مناسب ترین روش که با اهداف ما جهت تهیه برنامه کامپیوتری مطابقت داشته باشد، انتخاب می شود. سپس کلیه مراحل محاسباتی و تئوری مربوط به مشخصات حرارتی و هیدرولیکی برجها که پایه و اساس طراحی برج و نیز تهیه برنامه کامپیوتری به همین منظور است، شرح داده می شود. این مطالب را برای یک دسته کلی از برجهای خنک کننده مرطوب باجریان مخالف که عبارتند از برجهای خنک کن با جریان اجباری، بررسی می کنیم.

فهرست

فصل اول    1

مقدمه:    2

1-1- بیشینه    4

معرفی برجهای خنک کننده    5

1-1- برجهای خنک کننده    5

1-2- دسته بندی سیستمهای خنک کننده    5

1-2-1- سیستم یک بارگذر    5

1-2-2- سیستمهای مداربسته    6

1-2-3- سیستمهای ترکیبی    9

1-3- سیستمهای خنک کن تبخیری    10

1-3-1- برجهای خنک کن مرطوب    11

1-4- اصطلاحات برج خنک کن    13

1-5- کمیت های مهم در طراحی برجهای خنک کن    13

1-6- توصیف برجهای خنک کن تبخیری    15

1-6-1- سیستم توزیع آب    16

1-6-2- هسته خنک کننده    16

– هسته های لایه ای شبکه ای    21

– هسته های لایه ای نوع صفحه ای    21

– هسته های نوع اسپری و پاششی (قطره ای)    23

1-6-3- رطوبت گیرها    23

1-6-4- کرکره های هوای ورودی    25

1-7- قدرت فن    26

فصل چهارم    27

طراحی برجهای خنک کن مرطوب با جریان اجباری    28

2-1- معرفی برجهای خنک کن با جریان اجباری    28

2-2- مشخصه حرارتی و طراحی برج    30

2-3- محاسبه آب مصرفی در برج    33

2-4- تغییر شرایط طرح    33

2-5- زیربرنامه های برنامه Mtower    34

2-4) زیر برنامه های برنامه MTOWER    38

2-6- پیشنهاد برای بهبود برنامه های کامپیوتری    40

فصل سوم    51

3-1- مقدمه    52

3-2- مروری بر کارهای گذشته    52

3-2-1- تئوری برج خنک کن    52

3-2-2- روابط تجربی برای طراحی آکنه های نوع اسپلش    54

3-2-3- مدل های ریاضی ارائه شده بر مبنای اصول اساسی    54

3-3- مدل ریاضی    56

3-3-1- اصول مدل کردن    56

3-3-2- مفهوم پاکت    58

3-4- محاسبات ناحیه سقوط آزاد    58

3-4-1- حرکت قطره    59

3-4-1-1- ضریب پسا    61

3-4-1-2- سرعت حد قطره    62

3-4-2- انتقال حرارت و جرم قطره    63

3-4-2-1- محاسبه تعداد قطرات در یک پاکت    64

3-4-2-2- محاسبه عدد نوسلت    64

3-4-3- شکست آیرودینامیکی قطرات    65

3-4-4- برخورد قطرات    65

3-4-4-1- راندمان بهم چسبیدن قطرات    66

3-4-5- بررسی حرکت قطرات به سمت بالا    66

3-4-6- افت فشار    66

3-5- محاسبات مربوط به گرید    67

فصل پنجم    68

اجزاء    69

۱- نیروی محرک جریان هوا    70

۲-مکانیسم انتقال حرارت    71

۳-نحوه برخورد جریان‌های آب و هوا    71

منابع و مراجع    78

                                                             فهرست اشکال

       شکل (1-1) سیستم خنک کننده یک بارگذر    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  6

       شکل (1-2) چند ترکیب مختلف از برج های ترکیبی    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

       شکل (1-3) شماتیک برج خنک کننده مرطوب در ارایش کمکی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

       شکل (1-4) چند نوع برج خنک کننده مرطوب با جریان اجباری . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

       شکل (1-5) مشخصه حرارتی برج در دماهای مختلف . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

       شکل (1-6) شماتیک برج خنک کننده با جریان مختلف . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

       شکل (1-7) شماتیک برج خنک کننده با جریان متقاطع. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

       شکل (1-8) سیستم توزیع اب (1- ثقلی 2- باششی 3- کردشی) . . . . . . . . . . . . . . . . . .  16

       شکل (1-9) انواع ماتریس ها (1- قطره ای 2- لایه ای) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

       شکل (1-12) انواع متداول ماتریس ها در برج های متقاطع . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

       شکل(1-10) انواع متداول ماتریس ها در برج های جریان مخالف . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

       شکل (1-12) شکل هسته های ختک کننده . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  19

       شکل (1-13) اکنه های شبکه ای . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

       شکل(1-14) اکنه بلاستیکی نوع ماتریسی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

       شکل (1-15) اکنه بلاستیکی نوع صفحه ای . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

       شکل (1-16) برج خنک کننده جریان متقاطع با اکنه های قطره ای . . . . . . . . . . . . . . . . .22

       شکل(1-17) اکنه قطره ای چوبی. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22

       شکل (1-18) انواع متداول حفاظهای خروجی در برج های مرطوب . . . . . . . . . . . . . . . . . .24

       شکل(1-19) افت فشار رطوبت کیرها . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

       شکل(1-20) رطوبت کیر کرکره ای از جنس ازبست  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

       شکل (1-21) افت فشار در رطوبت گیرها. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

       شکل 2-1- نمای برج خنک کن مرطوب با جریان اجباری مخالف . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

       شکل 2-2- منحنیهای مشخصه فن و نقطه کار برج روی آن . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

       شكل 3-1- شكل المان‌بندي براي انتگرال‌گيري برج خنك‌كن. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

       شكل 3-2- فلوچارت مراحل محاسبات اصلي در مدل‌سازي برج خنك‌كن . . . . . . . . . . . . . 60

       شكل 3-3- فلوچارت مراحل محاسبات در ناحية سقوط آزاد بين گريدها  . . . . . . . . . . . . . .61

فصل اول

معرفی برج خنک کننده

مقدمه:

برجهای خنک کن به منظور کم کردن دمای آب مصرفی در یک نیروگاه یا یک واحد صنعتی بکار می روند و عامل خنک کننده در برجهای خنک کن جریان هوا است که با تماس مستقیم یا غیرمستقیم آب را خنک می نمایند. یک گروه از برجهای خنک کن برجهای مرطوب جریان مخالف نوع اسپلش می باشند که در آنها آب و هوا در یک راستا و در دو جهت مخالف حرکت کرده و برای افزایش سطح تماس و زمان تماس آب و هوا از هسته خنک کننده که شامل باریکه های چوب می باشد استفاده می گردد.

در فصل اول انواع برجهای خنک کن و قسمتهای مختلف آن توضیح داده شده است. در فصل دوم ابتدا روابط اصلی در طراحی برجهای خنک کن استخراج و سپس روشهای مختلف طراحی بصورت مختصر بیان گردید. در فصل سوم مروری بر طراحی برجهای خنک کن جریان طبیعی شده است. هدف از سه فصل اول شناسایی محدوده های اعداد از لحاظ طراحی جهت استفاده در بخش شبیه سازی می باشد.

در فصل چهارم مدل ریاضی، و روابطی که برای شبیه سازی برج استفاده بیان گردید و فصل پنجم اختصاص به توضیح برنامه کامپیوتری و زیر برنامه های آن دارد. در فصل پنجم نتایج بررسی گردیده و پیشنهاداتی ارائه شده است.

هدف از این پروژه بررسی تعدادی از پارامترهای موثر روی راندمان برج جهت بهینه نمودن برجهای مطلوب جریان مخالف نوع اسپلش و فیلمی می باشد.

دسته دیگری از برجهای خنک کن که کاربرد بیشتری دارند، برجهای خنک کن مرطوب هستند. این برجها از لحاظ ساختمان ظاهری شبیه به برجهای قبل هستند. اما در این نوع برجها به جای لوله های آب هسته های خنک کننده جایگزین می شوند. آب وارد شده به برج روی هسته های خنک کننده ریخته می شود و به سمت پایین جریان می یابد. هوا از روی سطح آب جاری گذشته و انتقال حرارت بین آب و هوا صورت می گیرد. در حقیقت در این نوع از برجها، تماس بین آب و هوا بصورت مستقیم می باشد. بنابراین انتقال حرارت به دو شکل محسوس و غیرمحسوس انجام می گیرد. شکل محسوس انتقال حرارت ناشی از اختلاف دمای آب و هوا است که موجب اختلاف انتالپی بین دو جریان مذکور می شود و در نتیجه انتقال حرارت بین این دو جریان بوجود می آید. شکل غیر محسوس انتقال حرارت ناشی از فرآیند انتقال جرم و گرمهای نهان ناشی از تبخیر آب است. این دو شکل از انتقال حرارت به طور مشروح در فصل بعد بررسی شده اند. بنابراین می توان گفت که ظرفیت خنک کنندگی این دسته از برجها نسبت به دسته قبل بیشتر است. البته به علت تبخیر آب در طی فرآیند، وجود یک منبع تامین کننده آب مصرفی، در این برجها الزامی است.

دسته سوم برجهایی هستند که بصورت ترکیبی از دو نوع قبل ساخته می شوند. یعنی قسمتی از انتقال حرارت بصورت تماس غیرمستقیم آب و هوا و قسمت دیگری بصورت تماس مستقیم آب و هوا، انجام

می شود. نحوه قرار گرفتن هسته های خنک کننده و لوله های مبدل حرارتی، به صورتهای مختلف امکان پذیر است. ترتیب قرار گرفتن هسته های خنک کننده و لوله های مبدل حرارتی به شرایط مکانی و محیطی، ظرفیت برج، ابعاد برج و هزینه آن بستگی دارد. در شکل (1-1) چند ترکیب مختلف از برجهای ترکیبی تر-خشک دیده می شود.

برجهای خنک کن خشک برای مناطقی که کمبود آب وجود دارد، بکار برده می شوند. زیرا در این مناطق مصرف آب به صرف نیست. اما در مناطقی که منبع آب، مثل دریا و یا رودخانه وجود دارد، با توجه به ظرفیت خنک کنندگی بیشتر، برجهای خنک کن مرطوب به کار برده می شوند. بین این دو نوع از شرایط، می توان از برجهای ترکیبی استفاده کرد.

در بحث حاضر، برجهای خنک کن مرطوب مورد نظر هستند و کلیه مطالب در مورد این دسته از برجها مورد بررسی قرار می گیرند.

1-1- بیشینه

کاربرد برج‌های خنک‌کننده به قرن نوزدهم و اختراع چگالنده برای استفاده در موتور بخار برمی‌گردد. در چگالنده‌ها سیال خنک‌کن غالباً آب است؛ به این صورت که آب با گرفتن گرمای بخاری که از خروجی توربین یا پیستون به چگالنده رسیده است، میعان می‌کند. وجود این مرحله در چرخه موتور بخار باعث افت فشار بخار خروجی می‌شود ولی در عوض مصرف بخار و در نتیجه مصرف سوخت را کاهش می‌دهد و هم‌زمان کارایی سیستم را نیز بالا می‌برد. البته باید در نظر داشت که چگالنده‌ها در عمل نیاز به برج خنک‌کن به نسبت بزرگی دارند و در صورت عدم وجود برج خنک‌کن، استفاده از آن‌ها اقتصادی نیست؛ چرا که هزینه‌های فراهم کردن آب بیش از سرمایه ذخیره شده از صرفه‌جویی انرژی می‌شود. فارق از موتورهای آبی که فراهم کردن آب هزینه‌ای برای آن‌ها محسوب نمی‌شود و استفاده از چگالنده بدون برج خنک‌کن امری عادی است، استفاده از چگالنده و برج خنک‌کن موضوعی حساس در صنعت به شمار می‌رود. با آغاز قرن بیستم قوانین و روش‌های فراوانی در زمینه چرخه‌های دارای برج خنک‌کن برای مناطقی که با مشکل کم‌آبی روبه‌رو بودند، طرح‌ریزی شد و احداث برج خنک‌کن را وابسته به نظر شهرداری آن منطقه و کم و کیف منابع آبی آن منطقه کرد. در مناطقی که منابع آبی قادر به فراهم کردن آب برج خنک‌کن هستند، از سیستم حوضچه‌های آبی استفاده می‌شود و در مناطقی که محدودیت منابع دارند، مثل شهرهای بزرگ، از برج‌های خنک‌کن استفاده می‌شود.

این برج‌ها اغلب در پشت بام ساختمان‌ها و یا به صورت سازه‌ای مجزا در کنار ساختمان اصلی قرار می‌گیرند و هوا به کمک فن‌ها و مکانیزم جابه‌جایی اجباری یا به طریق مکانیزم جابه‌جایی آزاد به جو منتقل می‌شود. در کتاب نظام مهندسی ایالات متحده آمریکا از سال ۱۹۱۱ مطلبی در این زمینه به این صورت آمده است: «با استفاده از یک پوسته تخت یا دوار از ورقه نازک، لوله دودکش در راستای عمودی تا جای ممکن کوچک تعبیه شود. (ارتفاع ۲۰ تا ۴۰ فوت) در پشت بام مجموعه‌ای از تشت‌ها برای پخش شدن آب مورد نیاز چگالنده قرار می‌گیرند و آب به درون آن‌ها پمپ می‌شود. آب درون تشت‌ها بر روی حصیری از جنس چوب به صورت قطره‌ای ریخته می‌شود تا فضای درون برج را پر کند.»

معرفی برجهای خنک کننده

1-1- برجهای خنک کننده

برجهای خنک کن به منظور کم کردن دمای آب مصرفی در یک نیروگاه و یا یک واحد صنعتی بکار

می روند. تکنولوژی ساخت و طراحی این برجها طی سالیان گذشته پیشرفت شایانی داشته است. متاسفانه قسمت اعظم تکنولوژی این برجها جنبه آزمایشگاهی دارد و در نتیجه هزینه فراوانی را در بر می گیرد. همچنین به علت حجم زیاد این برجها، هزینه تست برج در اندازه حقیقی آن به مراتب بیشتر می باشد.

بطور کلی عامل خنک کننده در برجهای خنک کن جریان هوا است و تبادل حرارت بین آب و هوا یا به عبارتی یک گاز و یک مایع صورت می گیرد و مشخصات فیزیکی چنان است که سطح لازم تبادل حرارت نسبت به حالتی که دو گاز انتقال حرارت دارند کمتر می باشد.

1-2- دسته بندی سیستمهای خنک کننده

سیستمهای خنک کننده بطور کلی به سه دسته: 1- سیستمهای یک بارگذر   2- سیستمهای مدار بسته   3- سیستم ترکیبی  ، تقسیم می گردند.

1-2-1- سیستم یک بارگذر

سیستمهای یک بارگذر از آبهای زیرزمینی و یا منابع طبیعی مثل رودخانه و اقیانوس برای تهیه آب مصرفی کندانسور استفاده نموده و آب پس از گرم شدن به منابع اصلی برگردانده می شود. (شکل 1-1)

این نوع سیستمها از نظر ترمودینامیکی، دارای بیشترین بازده حرارتی بوده ولی در مقابل مقدار آب مصرفی در آنها بسیار زیاد است. بعلاوه از نظر محیط زیست و ایجاد آلودگی حرارتی دارای معایبی می باشد، بطور معمول سه نوع تخلیه آب گرم وجود دارد:

1-    تخلیه سطحی : در این روش آب کندانسور روی سطح منبع اصلی آب تخلیه می شود که یک لایه نازکی را تشکیل می دهد. به این ترتیب آب گرم، با بخار شدن مقداری از آب به اتمسفر و با مخلوط شدن با آب سرد زیرین خنک می شود.

2-    تخلیه در عمق : در این روش آب مانند یک فواره واژگون به عمق آب منبع فرستاده می شود. آب پاشیده شده با آب سرد منبع مخلوط شده و حرارت با بخار شدن مقداری از مخلوط منتقل می گردد.

3-    تخلیه به کمک پخش کننده  : در این روش آب از داخل تعدادی نازل و از طریق یک لوله بلند زیر سطح آب رودخانه فرستاده می شود. آب گرم با آب رودخانه مخلوط شده و نهایتا حرارت خود را با بخار شدن مقداری از مخلوط از دست می دهد.

1-2-2- سیستمهای مداربسته

در این نوع سیسمتها، آب از داخل کندانسور سطحی عبور کرده و سپس به داخل برج خنک کننده رانده

می شود و سپس به کندانسور بر می گردد، اغلب بین کندانسور و دستگاه سرد کننده از مخزن آب استفاده می کنند. همواره مقداری آب از خارج سیستم برای جبران آب بخار شده و نیز نشستهای آب در داخل سیستم لازم است. چند نوع سیستم خنک کننده بدین منظور استفاده می شود.