بهینه سازی جریان برج خنک کننده

کولینگ تاورها، به دلیل تاثیر بر جریان هوای گرم و مرطوب، باعث افزایش دما و رطوبت می‌شوند. به طور کلی هوای محیط اطراف برج‌های خنک کننده بر عملکرد آنها نیز تاثیر مستقیم دارند. جریان هوای درون کولینگ تاورها یک جریان متقاطع است که از کنار دستگاه وارد شده و به قسمت پایین می‌رود. در این مقاله، در مورد تجزیه و تحلیل بهینه سازی جریان هوای برج‌های خنک کننده صحبت خواهیم کرد.

داده‌های یک شبیه سازی انجام شده، نشان می‌دهد که دمای هوای ورودی به دستگاه کمتر از مقدار جریان برگشتی از آن می‌باشد. زیرا جریان هوا درون برج‌های خنک کننده، ورود هوای وارده را یکنواخت‌تر کرده و در نتیجه سرعت باد اگزوز بیشتر می‌شود. همچنین شبیه سازی نشان می‌دهد که کولینگ تاور به طور موثری جریان برگشتی را کاهش می‌دهد و قادر است تا اثرات نامطلوب بوجود آمده از طراحی نامناسب را کاهش دهد.

کولینگ تاورها از تجهیزات موثر در سیستم تهویه مطبوع هستند که تاثیر بسزایی در راندمان خنک سازی سیستم تهویه مطبوع دارد. به دلیل زیبایی ظاهری این سیستم و محدودیت‌های محل نصب آن، برج‌های خنک کن معمولاً در مکان‌هایی مثل سقف ساختمان و غیره نصب می‌گردند. به منظور جلوگیری از ایجاد سر و صدا در محیط اطراف، برای این سیستم، یک نویزگیر نصب می گردد تا از برگشت جریان هوای گرم و مرطوب به درون برج جلوگیری کند. اگر سرعت برگشت هوای گرم و مرطوب زیاد باشد با عملکرد طولانی مدت برج، درجه حرارت هوای ورودی و رطوبت کولینگ تاورها افزایش یافته و اثر خنک کنندگی برج کاهش می‌یابد.

تحقیقات نشان می‌دهد در زمانی که میزان جریان برگشتی به مقدار50 درصد افزایش می‌یابد، دمای آب خروجی نیز 16/9 درصد افزایش پیدا می‌کند. در نتیجه انتقال حرارت 68/40 درصد کاهش می‌یابد، شاخص راحتی 92/1درصد تغییر می‌کند، دمای هوای خروجی 18/2 درصد و رطوبت نسبی هوای خروجی نیز 4/10 درصد افزایش می‌یابد.

برای تجزیه و تحلیل و بررسی بهینه سازی جریان هوا درون برج ‌های خنک کننده نباید فقط به تجربه های مهندسی تکیه نمود، زیرا این موضوع کار پیچیده ای است. برای شروع تجزیه و تحلیل، ابتدا باید نسبت به اندازه گیری آزمایشی اقدام شود. سپس با استفاده از فن آوری CFD شبیه سازی عددی را انجام داد. به طور کلی تجزیه و تحلیل بهینه سازی جریان، کم هزینه بوده و به زمان کوتاهی نیاز دارد.

این پروژه برای ساخت برج ‌های خنک کن در یک منطقه تجاری می‌باشد که بر روی سقف قرار گرفته است. در اطراف دیوارهای بسته شده برای کاهش سر و صدا بر مناطق مسکونی 20 متر دورتر، قرار دارد. یک دیواره خارجی به عنوان جدا کننده سیستم از کانال هوا، از وسط با عرض 8.2 متر قرار داده شده است که شیب این دیواره 10 درصد است و به دو کانال تقسیم می‌شود. نیمه بالایی کانال خروجی و نیمه پایینی آن کانال، ورودی می‌باشد.

مجرای خروجی برج ‌های خنک کننده، می تواند از تداخل هوای گرم و مرطوب بین برج ها جلوگیری نماید. ورودی و خروجی دستگاه توسط دیواره‌ها و شیب جدا شده است که این کار به کاهش جریان برگشتی کمک می‌کند.

شبیه سازی عددی بهینه سازی جریان هوا درون برج ‌های خنک کننده

PHOENICS اولین مجموعه محاسباتی دارای نرم افزار تجاری انتقال محاسبات در جهان می‌باشد. PHOENICS مخفف Parabolic Hyperbolic یا Elliptic Numer Integration Code Series است که می‌تواند در شبیه سازی‌ها برای پیدا کردن مشکلات جریان و انتقال حرارت استفاده شده و برای بهره وری انرژی ساختمان، جریان سیال و انتقال گرما مورد استفاده قرار گیرد.

• شبیه سازی شرایط و پارامترهای مرزی

برج خنک کننده بر روی سقف بسته قرار می‌گیرد، بنابراین خارج از محیط در نظر گرفته نمی‌شود. با در نظر گرفتن تغییرات دما ناشی از نیروی شناور، تراکم هوا و بالابر باید میزان هوای ورودی به برج خنک کننده تنظیم شود.

• از مدل CFD استفاده کنید

فاصله میانی بین جریان متقاطع دستگاه در یک ردیف، 2 متر تنظیم شده است. اگر جریان ‌های برج خنک کننده در دو ردیف تنظیم شوند، فاصله بین دو ردیف باید 5/2 متر باشد و پنج برج خنک کن MD5018 در ردیف جلو و چهار کولینگ تاور MD5016 در ردیف عقب قرار گیرند.

نتایج شبیه سازی و تجزیه و تحلیل بهینه سازی جریان هوای برج خنک کننده

• روش محاسبه میزان جریان مجدد

برای محاسبه مقدار جریان مجدد، ابتدا باید فاصله دیواری ما بین برج خنک کننده و کانال هوا مشخص شود که این داده با حرف T نمایش داده می‌شود. سپس باید میانگین دما (A) و جریان هوای ترکیبی برگشتی (Q) محاسبه شود. در نهایت با استفاده از فرمول زیر می‌توانیم میزان جریان مجدد برگشتی را محاسبه کنیم (2/34 درجه سانتی گراد = جریان هوا در فضای باز و 37 درجه سانتی گراد = جریان هوای برگشتی).

X + Y = Q

34.2x + 37y = T × Q

نتایج شبیه سازی و تحلیل جریان متقاطع

برای بدست آوردن نتیجه شبیه سازی و تحلیل جریان متقاطع، باید از طریق کانال، سرعت بادی که از آن خارج می‌شود را محاسبه کرد. از نتایج شبیه سازی می‌توان این نتیجه را گرفت که وجود فضا بین سربار و دستگاه باعث می‌شود، درجه حرارت اتاق افزایش یابد. هرچه افزایش دما بیشتر باشد، جریان هوای منطقه ای بدتر می‌شود و جریان برگشتی بیشتر می‌ گردد.

جریان هوای ورودی به برج بهتر است از قسمت جلو وارد شود تا هوا به طور مساوی جریان یابد. وارد شدن باد و هوا از قسمت عقب و راست، دشوار است و باعث افزایش سرعت باد می شود. افزایش دمای برج ‌های خنک کننده باعث می شود جریان متقاطع کمتر شود. تصاویر و شبیه سازی ها نشان می دهد که بیشترین تاثیر بر روی جریان برگشتی را در سمت عقب و سمت راست برج نزدیک دیواره خواهیم داشت. در این حالت حداکثر دمای هوای ورودی نزدیک دیواره سمت راست 5/34 درجه سانتی گراد است.

عبور از لوله خروجی و پنجره رو به بالا

به دلیل اضافه شدن 15 درجه به پنجره ها، هوای خروجی به سمت بالا جریان می یابد و سرعت باد به 16 متر بر ثانیه افزایش پیدا می کند. این امر بر کاهش میزان گردش مجدد در برج خنک کننده تاثیر دارد. نتایج شبیه سازی نشان می دهد، دمای ورودی 8/34 درجه سانتی گراد و افزایش دما 6/0 درجه می باشد. نرخ برگشت جریان محاسبه شده 7/5 است.

جریان متقاطع به علاوه 2/2 متر ورودی لوور هوا

ورودی لوور هوا و دیواره داخلی تعبیه شده برای ورود هوا، باعث کاهش حجم هوای در جریان می گردد. در این حالت برج خنک کننده باعث بهبود توزیع جریان هوا در برج خنک کننده می شود. حداکثر دمای ورودی به برج 43/34 درجه کاهش یافته و افزایش دما 23/0 درجه بوده است. نرخ برگشت جریان محاسبه شده نیز 26/1 می باشد.

سخن نهایی

در این مقاله، میزان برگشت جریان برج خنک کننده شبیه سازی شده است. در مقایسه با سرعت برگشت جریان هوای ورودی و جریان خروجی با دو ترتیب مختلف، مشخص شد که هرچه فاصله بین برج‌ های خنک کننده و هوای خروجی بیشتر باشد، سرعت جریان برگشتی برج خنک کننده نیز کمتر است. چیدمان صحیح برج خنک کننده عامل بسیار موثری برای سیستم تهویه مطبوع و تبرید است. برج خنک کننده باید کمترین تاثیر را بر محیط اطراف خود بگذارد، زیرا ممکن است در دمای پایین هوای خشک آزاد کند. در مهندسی واقعی، توصیه می شود که چیدمان برج خنک کننده با شبیه سازی تعیین شود.