مکش هوا در برج خنک کننده
کاویتاسیون در پمپ برج خنک کننده هنگامی به وجود می‌آید که به دلیل لوله کشی غیر صحیح هوا وارد مسیر مکش پمپ برج خنک کن شده و به مرور باعث تخریب مکانیکی پمپ شود. در نتیجه کاویتاسیون، پره‌های رانش و یا شفت پمپ تخریب و شکسته خواهد شد. طراحی و نصب صحیح لوله کشی در جلوگیری از بروز کاویتاسیون و وارد شدن هوا به مسیر مکش پمپ دارای اهمیت می‌باشد. در ادامه مطلب از به بررسی دلایل بروز کاویتاسیون در پمپ برج خنک کننده می‌پردازیم و راه‌های جلوگیری از آن را بررسی خواهیم کرد.
کاویتاسیون در پمپ
اغلب به دلیل کاویتاسیون یا وجود هوا در لوله مکش به پره‌ها یا شفت پمپ شوک وارد می شود و از نظر مکانیکی آن را تخریب می‌کند که در نتیجه باعث کاهش جریان آب میشود. در صورت وجود مقدار زیاد هوا در لوله مکش، شفت پمپ به سرعت دچار شکستگی میشود. دلیل این شکست هم این است که هنگامی که هوا وارد پروانه میشود بار وارد شده ناگهان صفر میشود، سپس آب با فشار بالا وارد میشود. مابین این تغییرات نیز، بار صفر و ماکسیمم مانند وارد آمدن ضربه، پروانه می‌شکند.
سه دلیل برای وارد شدن هوا به لوله مکش وجود دارد:
- بای پس به لوله مکش پمپ
- مسیر تخلیه مانند در ناحیه مکش پمپ
- جریان گردابی در برج خنک کن
بای پس به لوله مکش پمپ
نصب غیر صحیح لوله بای پس به صورت مستقیم به لوله مکش موجب ورود هوای بسیار زیاد به پمپ خواهد شد. وقتی فشار زیر اتمسفر در بای پس و اتصالات لوله خروج وجود داشته باشد هوا به لوله مکش وارد میشود. در شکل، وقتی برج خنک کننده در حال بای پس کردن است فشار در نقطه B به اندازه ارتفاع H1 بالاتر از فشار اتمسفر خواهد بود. فشار در نقطه C زیر اتمسفریک است که باعث مکش هوا میشود. فقط وقتی درست عمل می‌کند که کاهش فشار استاتیک به دلیل ارتفاع H2 معادل یا کوچکتر از افت فشار جریان در لوله بای پس باشد. شیر کنترل بای پس و لوله کشی بای پس طراحی می‌شوند تا افت فشار کافی را در لوله بای پس بوجود آورده تا از فشار زیر اتمسفریک در نقطه C جلوگیری کنند. هنگامی که برج خنک کن در بای پس است، باعث به جریان افتادن آب در واتر لگ نیز شوند.
همانطور که در شکل دوم نشان داده شده است، ورود مستقیم بای پس به احتمال مکش هوا به مسیر پمپ را کاملا از بین می‌برد. در نتیجه این طرح، لوله کشی مورد تأیید فنی شرکت بادران تهویه صنعت است. مسیر تخلیه مانند در ناحیه مکش پمپ در خیلی از برج های خنک کننده آب به مقدار کافی درتشت آبسرد برای پر کردن لوله مکش وجود ندارد. هنگام استارت پمپ می‌تواند آب موجود در تشت را به صورت ناگهانی خالی و یا پایین تر از حد قرمز بوجود آمدن ورتکس نماید. در هر دو حالت هوا به مسیر مکش پمپ وارد شده و برای پمپ فاجعه آمیز خواهد بود.
روش صحیح و غیر صحیح لوله کشی در دو شکل زیر نشان داده شده است. همانطور که در شکل اول می‌بینید، پمپ هنگام استارت باید کندانسور و تمام مسیر را با آب پر نماید که به دلیل عدم وجود حجم آب مناسب در تشت، موجب کاهش ناگهانی آب در تشت برج خنک کننده شده و هوا به مسیر مکش وارد میشود. در شکل بعدی شیر یک طرفه جلوی تخلیه لوله های عمودی را می‌گیرد، در حالیکه واتر لگ هم از تخلیه لوله های افقی برگشت جلوگیری کرده و از کاویتاسیون در پمپ برج خنک کننده جلوگیری می‌کند. به عنوان یک اصل عمومی، در طراحی لوله کشی برج خنک کننده باید لوله ای عمودی قبل از کندانسور و بعد از شیر یک طرفه در نظر گرفته شود که به آن لوله پر کننده می‌گویند. این لوله دو نقش را ایفا می‌کند:
- باعث پر آب شدن مسیر کندانسور مستقل از پمپ و تشت برج خنک کننده میشود که خطر خالی شدن آب در هنگام استارت را از بین می‌برد.
- در هنگام شروع به کار چیلر مهم است که کندانسور از آب پر باشد، در حالی که بسیاری از کندانسورها در سطح ارتفاع بالاتر از تشت برج خنک کننده نصب می‌شوند. در صورت نصب صحیح لوله کشی با لوله پر کننده و شیر یکطرفه در هنگام استارت چیلر، کندانسور پر از آب بوده و مشکلی نخواهد داشت.
استفاده از شیر کاهنده فشار نیز از مشکلات نشت و برگشت تخلیه نیز محافظت می‌کند. با توجه به شکل مسیر یا بلو دان هم در مسیر افقی برگشت به برج خنک کننده قرار گرفته است که تنها در زمان روشن بودن پمپ می‌توان بلو دان را انجام داد که این مسیر صحیح است و پیشنهاد می‌گردد.
جریان گردابی در برج خنک کننده
جریان گردابی در برج خنک کننده هنگامی رخ می‌دهد که میزان سطح آب موجود در تشت برج خنک کننده با میزان جریان آب در گردش متناسب نباشد. بوجود آمدن جریان گردابی باعث ورود هوا و در نتیجه کاویتاسیون در پمپ برج خنک کننده میشود. جهت رفع این مشکل می‌توان از درپوش یا قطعه ای برای شکستن جریان گردابی در تشت و مسیر لوله استفاده نمود. در برخی موارد مسیر لوله مکش پمپ از فلنج اتصال برج خنک کننده کوچکتر گرفته میشود که در این حالت به دلیل بوجود آمدن سرعت بالای آب ممکن است جریان گردابی درون لوله بوجود آبد. بنابراین توصیه میشود که مسیر لوله از تشت برج خنک کننده به طول 10 برابر قطر لوله به اندازه همان اتصال تشت لوله کشی شود.
- هد پمپ بیش از اندازه در نظر گرفته شود که در این حالت دبی افزایش می‌یابد. در این حالت باید با استفاده از شیر بالانسینگ یا شیر فشار شکن در مسیر لوله کشی استفاده نمود.
نصب اشتباه کنترلرهای بای پس که موجب تغییر شدید نقطه ای فبرج های خنک کننده نوع خاصی از مبدل های حرارتی هستند که در آن ها آب و هوا به منظور کاهش دمای آب سیستم تأسیسات یا صنعت، در تماس مستقیم قرار می گیرند. این تجهیزات از نظر نوع ساخت، شکل و جنس بدنه، روش انتقال حرارت، آرایش جریان آب و هوا و نوع مکش جریان هوا انواع مختلفی دارند و هر کدام از آن ها دارای ویژگی ها و محدودیت هایی هستند و کاربردهای متنوعی دارند. کاربرد برج های خنک کننده به صنایع مختلف، پالایشگاه ها و نیروگاه ها محدود نمی شود و در سیستم های تهویه مطبوع مجتمع های مسکونی و اداری نیز از برج های خنک کننده استفاده می گردد.
دسته بندی برج های خنک کننده بر اساس آرایش جریان آب و هوا.
برج های خنک کننده جریان متقاطع (Cross Flow)
در برج خنک کننده با جریان متقاطع آب در اثر نیروی گرانش و توسط صفحه سوراخ دار یا نازل های برج به سمت پایین فرو ریخته می شود تا به صورت یکنواخت بین سطوح داخلی برج خنک کننده توزیع گردد. هوا نیز به طور همزمان و به صورت افقی وارد برج می گردد و توسط فن های نصب شده در خارج از برج به سمت بیرون جریان می یابد، در نتیجه آب و هوا به شکل متقاطع با یکدیگر برخورد داشته و پس از تبخیر بخشی از آب، انتقال حرارت از آب به هوا صورت می گیرد.
آب خنک شده نیز در تشتک برج انباشته می‌گردد و جهت استفاده به سمت سایر تجهیزات مورد نیاز تأسیساتی یا صنعتی توسط پمپ ارسال میشود.
شکل 1- برج خنک کننده جریان متقاطع
| جدول 1- کاربرها و محدودیت های برج خنک کننده جریان متقاطع | |
| کاربردها | فشرده سازی هوا |
| صنایع گرمابر در پتروشیمی | |
| صنایع آلومینیوم | |
| محدودیت ها | عملکرد بهتر در مناطق با رطوبت نسبی بالا در فصول گرم (شمال و جنوب کشور) |
| تولید در ظرفیت های بالای 2 مگاوات و نامناسب بودن برای کاربردهای کوچکتر |
برج های خنک کننده جریان مخالف یا ناهمسو (Counter Flow)
در برج خنک کننده با جریان مخالف جریان هوا در جهت مخالف و همزمان با ریزش آب به سمت پایین برج، از میان پکینگ برج خنک کننده سطوح داخلی برج عبور می کند. جریان هوا از پایین برج وارد شده و به صورت عمودی در اثر مکش فن به سمت بالا کشیده می شود. آب در گردش نیز از طریق نازل های پاشش بر روی سطوح داخلی برج توزیع می گردد و پس از تماس غیر هم جهت و بیشینه، انتقال حرارت صورت گرفته و آب خنک وارد بخش انتهایی یا تشتک برج میشود. نکته حائز اهمیت در این برج ها استفاده از نازل ها برای پاشش جریان آب است به گونه ای که فشار آب بتواند بر جریان هوای توسط فن غلبه کرده و به سمت پایین حرکت کند. همچنین ارتفاع این برج ها باید به اندازه ای باشد که توزیع آب بر روی سطوح برج به خوبی صورت گرفته و آب فرصت خنک شدن داشته باشد.
دسته بندی برج های خنک کننده بر اساس نوع مکش جریان هوا
در پکینگ رندوم اسپلش با مکش طبیعی هوا در اثر اختلاف دما و به تبع آن اختلاف چگالی بین هوای گرم داخل برج و هوای خنک بیرون به صورت طبیعی از پایین به بالای برج جریان می یابد. آب نیز از بالای برج وارد شده و پس از پاشش درون برج از طریق نازل ها به صورت غیر هم جهت با هوا تماس پیدا می کند و در نتیجه تبخیر بخشی از آن خنک می گردد. به مرور زمان دمای هوای درون برج به دلیل تبادل حرارت با آب ورودی بالا رفته و اختلاف دما و چگالی هوای داخل و خارج برج افزایش می یابد و مکش طبیعی هوا همچنان با شدت بیشتری ادامه می یابد.
برج های خنک کننده با مکش طبیعی مانند برج های خنک کننده مرتفع در نیروگاه‌ها از بتن ساخته شده اند و ابعاد بزرگی دارند و ساخت آن ها هزینه بر است. در برج های خنک کننده با مکش مکانیکی برخلاف برج های خنک کننده با جریان طبیعی، هوا به وسیله فن (فن هایی) جریان می یابد. وجود فن در این برج ها، امکان تغییر میزان دبی هوا را فراهم کرده است و از این طریق می توان پایداری بیشتری نسبت به شرایط جوی ایجاد نمود. برج های خنک کننده با مکش مکانیکی خود به دو گروه زیر تقسیم می شوند.
در برج خنک کننده با مکش اجباری فن در ناحیه ورود هوا در پایین برج قرار دارد و هوا را به سمت بالا می دمد. آب نیز از بالای برج وارد شده و در اثر تماس غیر هم جهت آب و هوا و تبخیر بخشی از آن، آب خنک می گردد. محل قرارگیری فن در ناحیه ورود هوا می تواند موجب گردش هوای گرم و بازگشت آن به برج شود که این مسأله منجر به پایین تر بودن راندمان خنک کنندگی این برج ها در مقایسه با برج های خنک کننده با مکش القایی شده است. برج های خنک کننده با مکش اجباری اغلب از نوع برج های خنک کننده گالوانیزه هستند.