برج خنک کننده چقدر آب مصرف می کند؟ عوامل موثر و فرمول محاسبه

برج‌های خنک‌کننده به عنوان یکی از ارکان کلیدی در مدیریت حرارت تأسیسات صنعتی با استفاده از آب، گرمای تولیدشده را دفع می‌کند تا این تاسیسات بتوانند عملکرد پایداری داشته باشند.

در این سیستم‌ها، آب گرمای اضافی را جذب کرده و سپس از طریق فرآیند تبخیر یا تبادل حرارت به محیط منتقل می‌شود.

با توجه به اینکه برج‌های خنک‌کننده عمدتا بر پایه تبخیر آب کار می‌کنند، میزان مصرف آب در این سیستم‌ها قابل توجه است. بسته به نوع برج، شرایط عملیاتی، ظرفیت برج خنک‌کننده و عوامل محیطی، میزان آب مصرفی برج خنک‌کننده می‌تواند از چند هزار تا چند میلیون لیتر در روز متغیر باشد

در این مقاله، به بررسی میزان مصرف آب در برج‌های خنک‌کننده پرداخته و عوامل مؤثر بر آن را تحلیل خواهیم کرد.

میزان مصرف آب برج خنک کننده چقدر است؟

پیش از آنکه به نحوه محاسبه میزان مصرف آب در برج خنک‌کننده بپردازیم، ابتدا بررسی کنیم که آب در این سیستم چگونه از دست می‌رود.

در یک برج خنک‌کننده، آب از طریق روش‌های مختلفی کاهش می‌یابد. تبخیر، پرتاب قطرات به بیرون و بلودان (تخلیه آب) سه عامل اصلی در کاهش حجم آب برج خنک‌کننده محسوب می‌شوند.

میزان مصرف آب برج خنک کننده به عوامل مختلفی بستگی دارد، از جمله ظرفیت برج، شرایط محیطی (مانند دما و رطوبت)، نوع برج (مرطوب، خشک یا هیبریدی) و نوع فرآیند خنک‌سازی.

میزان مصرف آب برج خنک کننده:

مقدار مصرف آب در برج خنک کننده با ظرفیت کم (مثلاً ۱۰۰ تن):

• مصرف آب می‌تواند حدود ۲۰۰ تا ۳۰۰ گالن در دقیقه (تقریباً ۷۵۰ تا ۱۱۳۵ لیتر در دقیقه) باشد.
• در این حالت، میزان مصرف آب در طول روز ممکن است حدود ۱۰۰۰۰۰ تا ۱۵۰۰۰۰ گالن (حدود ۳۷۵۰۰۰ تا ۵۶۵۰۰۰ لیتر) باشد.

میزان آب مصرفی برج خنک کننده با ظرفیت متوسط (مثلاً ۱۰۰۰ تن):

• مصرف آب به طور معمول بین ۲۰۰۰ تا ۳۰۰۰ گالن در دقیقه (حدود ۷۵۰۰ تا ۱۱۳۰۰ لیتر در دقیقه) خواهد بود.
• مصرف روزانه آب در این برج‌ها می‌تواند بین ۱۰۰۰۰۰۰ تا ۱۵۰۰۰۰۰ گالن (۳۷۵۰۰۰۰ تا ۵۶۵۰۰۰۰ لیتر) باشد.

مصرف آب در برج های خنک کننده بزرگ (مثلاً ۵۰۰۰ تن یا بیشتر):

• مصرف آب در این برج‌ها ممکن است بین ۱۰ هزار تا ۱۵ هزار گالن در دقیقه (حدود ۳۷۵۰۰۰ تا ۵۶۵۰۰۰ لیتر در دقیقه) باشد.
• در این حالت، مصرف روزانه می‌تواند به بیش از ۵ میلیون گالن (حدود ۱۸۹۰۰۰۰۰ لیتر) برسد.

نکات مهم در مصرف آب برج‌های خنک کننده:

1. تبخیر: بخش عمده‌ای از مصرف آب در برج‌های خنک‌کننده به تبخیر آب مربوط می‌شود. مقدار آب تبخیر شده بستگی به میزان گرمای جذب شده و شرایط محیطی دارد.
2. سرریز و پساب: مقدار کمی از آب نیز از طریق سرریز برج یا پساب به محیط اطراف هدایت می‌شود. معمولاً برای جبران تبخیر، آب تازه به برج وارد می‌شود.
3. آب جبرانی: معمولاً برای جبران تبخیر و سرریز، باید آب تازه به برج اضافه شود، که به میزان استفاده از برج بستگی دارد.

در کل، مصرف آب برج‌های خنک‌کننده معمولاً در ظرفیت‌های بزرگ‌تر بسیار بیشتر از برج‌های کوچک‌تر است و این میزان می‌تواند بسته به شرایط محیطی تغییر کند.

میزان تبخیر آب در برج خنک کننده به چه عواملی بستگی دارد؟

همان طور که گفتیم میزان تبخیر آب در برج خنک کننده به عوامل مختلفی بستگی دارد که مهمترین آنها عبارتند از:

1. دمای هوای ورودی (هوای محیط): هرچه دمای هوای ورودی به برج خنک کننده بیشتر باشد، تبخیر آب بیشتر خواهد بود. افزایش دمای هوا باعث افزایش توان جذب گرما از آب شده و میزان تبخیر را بالا می‌برد.
2. رطوبت نسبی هوا: رطوبت نسبی هوای ورودی نقش مهمی در میزان تبخیر دارد. در صورتی که رطوبت هوا بالا باشد، ظرفیت تبخیر آب کاهش می‌یابد زیرا هوا به اندازه کافی ظرفیت جذب بخار آب جدید را ندارد.
3. دمای آب ورودی: دمای آب ورودی به برج خنک کننده نیز تأثیر زیادی در تبخیر دارد. هرچه دمای آب بیشتر باشد، تبخیر به دلیل اختلاف دما بین آب و هوا افزایش می‌یابد.
4. سرعت باد (یا جریان هوا): سرعت بالای باد یا جریان هوای ورودی باعث افزایش تماس بین آب و هوا می‌شود، که این امر موجب افزایش تبخیر می‌گردد.
5. سطح تماس آب و هوا: در برج‌های خنک کننده‌ای که سطح تماس بیشتری بین آب و هوا دارند (مثلاً برج‌های خنک کننده با پکینگ‌های مناسب)، تبخیر آب به طور موثرتری انجام می‌شود.
6. ضریب انتقال حرارت: هرچه ضریب انتقال حرارت بیشتر باشد (که به ویژگی‌های ساختاری برج، نوع پکینگ و طراحی آن بستگی دارد)، انتقال حرارت بین آب و هوا بهتر انجام شده و تبخیر افزایش می‌یابد.
7. نوع برج خنک کننده: نوع برج خنک کننده (مانند برج‌های خشک، مرطوب یا هیبریدی) تأثیر زیادی بر میزان تبخیر دارد. در برج‌های مرطوب، تبخیر نقش اصلی را ایفا می‌کند، در حالی که در برج‌های خشک تبخیر کمتر است و گرمای آب بیشتر از طریق تماس مستقیم با هوا انتقال می‌یابد.
8. آب مصرفی: ویژگی‌های آب مصرفی (مانند سختی و املاح موجود در آب) نیز می‌تواند بر میزان تبخیر تأثیر بگذارد. وجود املاح بیشتر ممکن است باعث کاهش کارایی تبخیر شود.

تمام این عوامل در کنار هم تأثیر زیادی بر عملکرد برج خنک کننده دارند و میزان تبخیر آب را تعیین می‌کنند.

آیا ظرفیت برج خنک کننده بر میزان مصرف آب توسط آن تاثیر میگذارد؟

بله، ظرفیت برج خنک کننده نیز تأثیر مهمی بر میزان تبخیر دارد. ظرفیت برج خنک کننده به میزان گرمایی که برج قادر است از آب جذب کند، اشاره دارد و به عوامل مختلفی مانند تعداد جریان‌های هوا، میزان آب ورودی، طراحی و اندازه برج بستگی دارد.

در این زمینه، تأثیر ظرفیت برج خنک کننده بر تبخیر به صورت زیر است:

1. ظرفیت بالاتر، تبخیر بیشتر: در برج‌های خنک کننده با ظرفیت بزرگتر، معمولاً حجم بیشتری از آب از داخل برج عبور می‌کند. این به معنای این است که تعداد بیشتری از مولکول‌های آب برای تبخیر در دسترس خواهند بود. به عبارت دیگر، با افزایش ظرفیت برج، میزان تبخیر آب برای دفع مقدار بیشتری از گرما افزایش می‌یابد.
2. اندازه برج و سطح تماس: برج‌هایی با ظرفیت بالاتر معمولاً دارای سطح تماس بیشتری بین آب و هوا هستند. این سطح بیشتر باعث می‌شود که تبخیر به طور مؤثرتری انجام شود، زیرا تماس بیشتری بین آب و جریان هوا وجود دارد که گرما به راحتی از آب به هوا منتقل می‌شود.
3. نرخ جریان هوا و آب: ظرفیت برج خنک کننده به نوعی با نرخ جریان هوا و آب نیز مرتبط است. در برج‌های بزرگتر، سرعت جریان آب و هوای بیشتری برای جبران بار حرارتی بالاتر وجود دارد که می‌تواند منجر به تبخیر بیشتر شود.

در مجموع، ظرفیت برج خنک کننده تأثیر مستقیمی بر میزان تبخیر آب دارد، زیرا برج‌های بزرگتر قادرند حرارت بیشتری را از آب جذب کنند و تبخیر را افزایش دهند.

محاسبه مصرف آب برج خنک کننده

برای محاسبه مصرف آب در برج خنک‌کننده، می‌توان از فرمول زیر استفاده کرد:

فرمول محاسبه مصرف آب برج خنک‌کننده:

میزان مصرف آب در برج‌های خنک‌کننده را می‌توان با در نظر گرفتن سه مؤلفه اصلی محاسبه کرد:

1. تبخیر (Evaporation – E)
2. پرتاب قطرات (Drift – D)
3. بلودان یا تخلیه آب (Blowdown – B)

برای محاسبه کل آب جبرانی (Make-up Water – MU) مورد نیاز برج خنک‌کننده، از رابطه زیر استفاده می‌شود:

MU=E+D+B

که در آن:

• MU: میزان کل آب جبرانی مورد نیاز برج خنک‌کننده (لیتر در ساعت یا گالن در دقیقه)
• E: میزان آب از دست رفته بر اثر تبخیر
• D: میزان آب از دست رفته بر اثر پرتاب قطرات به بیرون
• B: میزان آب از دست رفته بر اثر بلودان (تخلیه آب برای کنترل غلظت املاح)

با جایگذاری این مقادیر فرمول زیر حاصل می شود:

توضیح پارامترها:

• MU = میزان کل آب جبرانی برج خنک‌کننده (m³/h)
• R = دبی آب در گردش (m³/h)
• ΔT = اختلاف دمای آب ورودی و خروجی (°C)
• Drift Factor = ضریب پرتاب قطرات (معمولاً بین 0.001 تا 0.002)
• COC = ضریب تغلیظ آب (Cycles of Concentration)

راهکارهای کاهش مصرف آب برج خنک کننده

کاهش مصرف آب در برج‌های خنک‌کننده یک هدف مهم در راستای صرفه‌جویی منابع طبیعی و کاهش هزینه‌ها است. برای دستیابی به این هدف، چندین راهکار وجود دارد که می‌تواند به کاهش مصرف آب در برج‌های خنک‌کننده کمک کند. در ادامه، مهم‌ترین راهکارها برای کاهش مصرف آب برج‌های خنک‌کننده آورده شده است:

۱. استفاده از سیستم‌های بازیابی آب (Recycle)

• چرخش آب (Closed-Loop Systems): استفاده از سیستم‌های بسته که در آن آب پس از تبخیر و کندانس شدن دوباره به برج برگشت داده می‌شود، می‌تواند مصرف آب را کاهش دهد. در این سیستم‌ها، آب به جای تبخیر کامل و دفع به محیط، دوباره به گردش درمی‌آید.
• تصفیه و استفاده مجدد: تصفیه آب استفاده‌شده و برگشت آن به سیستم می‌تواند از مصرف بیش از حد آب جلوگیری کند.

۲. کاهش دمای آب ورودی

• دمای پایین‌تر آب ورودی به برج خنک‌کننده منجر به کاهش میزان تبخیر آب می‌شود. با بهینه‌سازی دمای آب ورودی و کاهش نیاز به کاهش دما در برج، می‌توان از تبخیر اضافی جلوگیری کرد.
• در بسیاری از موارد، استفاده از سیستم‌های پیش‌خنک‌کننده یا ترکیب با دیگر روش‌های خنک‌سازی مانند چیلرها یا سیستم‌های سرمایشی می‌تواند به کاهش دمای آب ورودی کمک کند.

۳. افزایش رطوبت‌زدایی یا کاهش رطوبت هوا

• در برج‌های خنک‌کننده، اگر رطوبت هوا بالا باشد، ظرفیت تبخیر کاهش می‌یابد. به این ترتیب، با استفاده از سیستم‌هایی که میزان رطوبت هوا را کاهش می‌دهند یا هوای خشک‌تری به برج وارد می‌کنند، می‌توان تبخیر را کاهش داد و مصرف آب را کاهش داد.

۴. کنترل دقیق میزان جریان آب

• تنظیم دقیق جریان آب و هوای واردشده به برج می‌تواند به کاهش مصرف آب کمک کند. استفاده از سیستم‌های هوشمند برای نظارت بر دما، رطوبت و جریان آب به منظور بهینه‌سازی عملکرد برج می‌تواند موجب صرفه‌جویی در مصرف آب شود.
• استفاده از سیستم‌های متغیر جریان (Variable Flow Systems) برای تنظیم میزان آب ورودی بسته به شرایط دما و بار حرارتی، می‌تواند کمک کند که آب تنها به اندازه مورد نیاز مصرف شود.

۵. استفاده از برج‌های خنک‌کننده هیبریدی

• برج‌های خنک‌کننده هیبریدی ترکیبی از سیستم‌های خشک و مرطوب هستند که در شرایط مختلف می‌توانند از تبخیر آب کمتر استفاده کنند. در این سیستم‌ها، در زمان‌هایی که هوا مرطوب است یا دمای محیط پایین است، از بخش خشک سیستم استفاده می‌شود که تبخیر کمتری دارد.

۶. استفاده از فناوری‌های نوین و مواد پیشرفته

• استفاده از پکینگ‌ها و فیلترهای بهینه می‌تواند تماس بهینه‌تری بین آب و هوا ایجاد کند و باعث شود که فرآیند تبخیر به شکل بهتری انجام شود و آب کمتری مصرف شود.
• استفاده از نانوفیلتراسیون و فناوری‌های تصفیه پیشرفته برای جلوگیری از رسوب و تجمع مواد در آب برج نیز می‌تواند عمر سیستم و کارایی آن را افزایش دهد و از مصرف آب اضافی جلوگیری کند.

۷. مراقبت و نگهداری منظم

• نگهداری و تمیزکاری دوره‌ای برج‌های خنک‌کننده به کاهش رسوبات، آلودگی‌ها و سایر مواد غیرضروری که ممکن است کارایی برج را کاهش دهند، کمک می‌کند. این کار باعث می‌شود که سیستم بتواند بهینه عمل کرده و مصرف آب کاهش یابد.

۸. کنترل تبخیر از طریق استفاده از پوشش‌های محافظ

• پوشش‌های مخصوص برای برج‌های خنک‌کننده می‌توانند تبخیر آب از سطح برج را کاهش دهند. این پوشش‌ها می‌توانند در برابر تابش مستقیم خورشید و دمای بالا محافظت کنند و تبخیر را کاهش دهند.

۹. محدود کردن میزان سرریز آب

• کاهش میزان سرریز آب برج به کمک سیستم‌های کنترلی دقیق می‌تواند مصرف آب را کاهش دهد. سرریز معمولاً زمانی رخ می‌دهد که میزان تبخیر به درستی کنترل نمی‌شود یا برج به دلیل مشکلات فنی مجبور به سرریز کردن آب می‌شود.

۱۰. استفاده از برج‌های خنک‌کننده خشک

• برج‌های خنک‌کننده خشک که در آن‌ها آب تبخیر نمی‌شود و گرما از طریق انتقال حرارت به هوا حذف می‌شود، می‌توانند برای مناطقی که آب کمیاب است یا در شرایط خاص کاربرد داشته باشند.

تفاوت برج خنک‌کننده مرطوب (مدار باز) و برج مدار بسته از نظر میزان مصرف آب

تفاوت برج‌های خنک‌کننده مرطوب (مدار باز) و مدار بسته از نظر میزان مصرف آب به نحوه عملکرد و نوع انتقال حرارت در این سیستم‌ها بستگی دارد. در اینجا به تفاوت‌ها از نظر مصرف آب پرداخته شده است:

1. برج خنک‌کننده مرطوب (مدار باز)

• در برج‌های مرطوب (مدار باز)، آب از طریق تبخیر و تماس مستقیم با هوا خنک می‌شود.
• بخشی از آب در این فرآیند تبخیر می‌شود و از سیستم خارج می‌شود.
• برای جبران این تبخیر، آب تازه باید وارد سیستم شود.
• میزان مصرف آب در برج‌های مرطوب به شدت به شرایط محیطی (دما، رطوبت، بار حرارتی) و میزان تبخیر بستگی دارد. به طور معمول، مصرف آب در برج‌های مرطوب زیاد است زیرا به طور مداوم باید آب تازه به سیستم اضافه شود تا تبخیر جبران گردد.

نکات مربوط به مصرف آب در برج مرطوب (مدار باز):

• تبخیر آب: بخش عمده‌ای از مصرف آب به تبخیر مربوط می‌شود.
• سرریز: آب اضافی به صورت سرریز ممکن است به سیستم بازگردد.
• مصرف آب در برج‌های مرطوب می‌تواند به ازای هر گیگاهرتز بار حرارتی به ۵۰۰-۱۰۰۰ گالن (۱,۹۰۰-۳,۸۰۰ لیتر) در ساعت برسد.

2. برج خنک‌کننده مدار بسته

• در برج‌های مدار بسته، آب مستقیماً با هوا در تماس قرار نمی‌گیرد. در عوض، آب در داخل لوله‌ها یا مبدل‌های حرارتی جریان می‌یابد.
• گرما از آب به هوا منتقل می‌شود، اما هیچ تبخیری در فرآیند خنک‌سازی صورت نمی‌گیرد.
• مصرف آب در برج‌های مدار بسته بسیار کمتر از برج‌های مرطوب است زیرا آب تبخیر نمی‌شود. در این برج‌ها تنها برای جبران نشت یا مصرف جزئی آب استفاده می‌شود.

نکات مربوط به مصرف آب در برج مدار بسته:

• عدم تبخیر: چون در این سیستم تبخیر وجود ندارد، مصرف آب در این برج‌ها به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد.
• نگهداری: مقدار کمی از آب ممکن است به دلیل نشت یا تعویض آب برای تمیزکاری یا تصفیه از دست برود، اما همچنان مصرف آب بسیار کمتر از برج‌های مرطوب است.
• صرفه‌جویی در مصرف آب: به دلیل استفاده نکردن از تبخیر، مصرف آب به حداقل می‌رسد و نیاز به آب تازه به مقدار بسیار کمی است.

خلاصه:

• برج خنک‌کننده مرطوب (مدار باز) به دلیل تبخیر آب، میزان مصرف آب بالاتری دارد. بخشی از آب در اثر تبخیر از دست می‌رود و باید با آب جدید جبران شود.
• برج خنک‌کننده مدار بسته مصرف آب بسیار کمتری دارد زیرا آب در سیستم از طریق مبدل‌های حرارتی خنک می‌شود و تبخیر وجود ندارد. مصرف آب در این نوع برج‌ها بیشتر به میزان نشت یا نگهداری مربوط است، نه به تبخیر.

بیشتر بخوانید: تفاوت های برج خنک کننده مدار باز و برج خنک کننده مدار بسته

سخن پایانی

محاسبه میزان تبخیر آب در برج خنک‌کننده نقش مهمی در تعیین میزان آب جبرانی (make-up) دارد. به عبارت دیگر، معمولاً حدود 80 درصد از حجم آب مصرفی در برج خنک‌کننده به تبخیر اختصاص دارد. میزان تبخیر در برج خنک‌کننده ثابت نیست و بسته به زمان و شرایط آب و هوایی، تغییر می‌کند.