سیستم های آب خنک کننده: چگونه کار می کنند و چگونه می توان آنها را بهینه کرد

آنچه که سیستم های آب خنک کننده در واقع انجام می دهند

سیستم های آب خنک کننده گرمای اضافی را از فرآیندهای صنعتی، تجهیزات HVAC و تولید برق با گردش آب برای جذب و اتلاف انرژی حرارتی حذف می کنند. آنها ستون فقرات مدیریت حرارتی در تأسیسات مختلف از مراکز داده گرفته تا پالایشگاه های نفت هستند و کارایی آنها مستقیماً بر هزینه های انرژی، طول عمر تجهیزات و انطباق با محیط زیست تأثیر می گذارد.

در هسته خود، این سیستم ها بر اساس یک اصل ساده کار می کنند: آب گرما را در نقطه استفاده جذب می کند (یک مبدل حرارتی، کندانسور، یا ژاکت راکتور)، سپس آن گرما را در جای دیگری آزاد می کند - یا از طریق یک برج خنک کننده یا در یک بدنه آبی طبیعی. سپس چرخه به طور مداوم تکرار می شود.

انواع اصلی سیستم های آب خنک کننده

انتخاب نوع سیستم مناسب به در دسترس بودن آب، بار حرارتی، مقررات زیست محیطی و بودجه سرمایه بستگی دارد. سه پیکربندی اولیه عبارتند از:

سیستم های یکبار مصرف

آب از یک رودخانه، دریاچه یا اقیانوس کشیده می شود، یک بار برای جذب گرما از سیستم عبور می کند و دوباره تخلیه می شود. این سیستم ها ساده و کم هزینه هستند اما مصرف حجم عظیمی از آب - یک نیروگاه 1000 مگاواتی ممکن است بیش از 1 میلیارد گالن در روز برداشت کند. . به طور فزاینده ای توسط مقررات زیست محیطی محدود می شوند، آنها به ندرت برای تاسیسات جدید تایید می شوند.

سیستم های چرخشی (حلقه بسته و حلقه باز).

پرکاربردترین پیکربندی صنعتی. آب در یک حلقه گردش می کند و گرما از طریق برج خنک کننده (حلقه باز) یا مبدل حرارتی (حلقه بسته) دفع می شود. سیستم‌های چرخشی 95 تا 98 درصد آب کمتری نسبت به سیستم‌های یکبار مصرف مصرف می‌کنند ، آنها را به انتخاب استاندارد برای امکانات جدید تبدیل می کند. تلفات تبخیر در برج های خنک کننده باز معمولاً 1 تا 3 درصد جریان گردشی در هر سیکل است.

سیستم های خنک کننده خشک

هوا به جای آب برای دفع گرما مانند رادیاتور ماشین استفاده می شود. اینها مصرف آب را به طور کامل حذف می کنند اما هستند 20 تا 50 درصد انرژی کمتری نسبت به برج های خنک کننده مرطوب دارند و نیاز به ردپای تجهیزات بسیار بزرگتری دارد. آنها برای مناطق کم آب یا تاسیساتی با الزامات شدید دبی مایع صفر مناسب هستند.

اجزای کلیدی و نقش آنها

یک سیستم آب خنک کننده چرخشی معمولاً از چندین جزء یکپارچه تشکیل شده است. درک هر یک از آنها به شناسایی محل افت عملکرد کمک می کند.

• برج خنک کننده: گرما را از طریق تبخیر و همرفت به جو دفع می کند. راندمان برج با دمای نزدیک - تفاوت بین دمای آب سرد خروجی از برج و دمای حباب مرطوب محیط اندازه‌گیری می‌شود. یک برج که به خوبی نگهداری شده است، فاصله 5 تا 8 درجه فارنهایت را حفظ می کند.
• مبدل های حرارتی / کندانسور: Transfer heat from process fluids to cooling water. رسوب گیری روی سطوح مبدل حرارتی یکی از رایج ترین کشنده های راندمان است که باعث افزایش مقاومت حرارتی و افزایش هزینه های انرژی می شود.
• پمپ های گردشی: آب را از طریق سیستم حرکت دهید. پمپاژ معمولا به حساب می آید 30 تا 50 درصد از کل انرژی مصرفی سیستم خنک کننده . درایوهای فرکانس متغیر (VFD) در موتورهای پمپ می توانند این را به میزان قابل توجهی کاهش دهند.
• سیستم آب آرایشی: خسارات ناشی از تبخیر، انفجار و رانش را جبران می کند. مدیریت صحیح کیفیت آب آرایشی از رسوب و خوردگی جلوگیری می کند.
• سیستم انفجار و تصفیه شیمیایی: غلظت مواد جامد محلول و رشد بیولوژیکی را در آب در حال گردش کنترل می کند.

معیارهای عملکرد حیاتی برای نظارت

ردیابی معیارهای مناسب برای حفظ کارایی و جلوگیری از خرابی های پرهزینه ضروری است. جدول زیر مهمترین پارامترها و محدوده هدف معمولی آنها را نشان می دهد:

تصفیه آب: اساس قابلیت اطمینان سیستم

آب خنک کننده تصفیه نشده سه مشکل عمده ایجاد می کند: تشکیل رسوب، خوردگی و رسوب بیولوژیکی . هر کدام عملکرد را کاهش می دهند و می توانند باعث خرابی تجهیزات شوند. یک برنامه تصفیه آب قوی معمولاً هر سه را به طور همزمان بررسی می کند.

کنترل مقیاس

کربنات کلسیم رایج ترین ترکیب جرم گیری است. یک لایه رسوب با ضخامت فقط 1 میلی متر می تواند راندمان انتقال حرارت را تا 10٪ کاهش دهد. ، تجهیزات را مجبور به کار بیشتر و مصرف انرژی بیشتر می کند. مهارکننده های مقیاس (فسفونات ها، پلیمرها) و دوز اسید برای کنترل pH اقدامات متقابل استاندارد هستند. افزایش چرخه غلظت مصرف آب آرایشی را کاهش می دهد، اما خطر مقیاس را افزایش می دهد و نیاز به تنظیم دقیق برنامه شیمیایی دارد.

مهار خوردگی

pH پایین، اکسیژن محلول و یون های کلرید خوردگی فلز را در لوله ها و مبدل های حرارتی تسریع می کنند. آزول ها از آلیاژهای مس محافظت می کنند. مولیبدات ها و ارتوفسفات ها برای فلزات آهنی استفاده می شوند. پایش کوپن های خوردگی به صورت فصلی داده های تجربی در مورد اثربخشی برنامه بازدارنده ارائه می دهد.

کنترل بیولوژیکی

آب در حال گردش گرم و غنی از مواد مغذی محیطی ایده آل برای باکتری ها، جلبک ها و لژیونلا است. لژیونلا پنوموفیلا، که باعث بیماری لژیونر می شود، بین 77 درجه فارنهایت و 113 درجه فارنهایت (25 تا 45 درجه سانتیگراد) رشد می کند. — exactly the range most cooling towers operate in. Biocide programs typically combine an oxidizing biocide (chlorine or bromine) with a non-oxidizing biocide rotated to prevent resistance. ASHRAE 188 چارچوب استانداردی برای برنامه های مدیریت آب Legionella در ایالات متحده ارائه می دهد.

روش های عملی برای بهبود کارایی و کاهش هزینه ها

اکثر تاسیسات فضای قابل توجهی برای بهبود عملکرد سیستم خنک کننده بدون سرمایه گذاری عمده دارند. اقدامات زیر به طور مداوم بازدهی قوی را ارائه می دهد:

1. VFD ها را روی فن های برج خنک کننده و پمپ های سیرکولاسیون نصب کنید. مقیاس انرژی فن و پمپ با مکعب سرعت - کاهش سرعت 20٪ باعث کاهش مصرف انرژی تا حدود 50٪ می شود. دوره های بازپرداخت معمولی 1 تا 3 سال است.
2. چرخه های تمرکز را بهینه کنید. بسیاری از تأسیسات در CoC 2-3 اجرا می شوند که شیمی آب آنها اجازه CoC 5-6 را می دهد. افزایش CoC از 3 به 6، مصرف آب آرایش را تقریباً 40٪ کاهش می دهد و 60٪ کاهش می دهد.
3. اجرای نظارت آنلاین حسگرهای پیوسته برای pH، رسانایی، و جریان جایگزین نمونه‌گیری دستی می‌شوند و امکان تنظیم دوز شیمیایی در زمان واقعی را فراهم می‌کنند و استفاده بیش از حد از مواد شیمیایی را 15 تا 25 درصد کاهش می‌دهند.
4. تمیز کردن مبدل حرارتی را به طور منظم برنامه ریزی کنید. تمیز کردن مکانیکی یا شیمیایی سطوح آلوده باعث بازیابی عملکرد انتقال حرارت می شود. حتی رسوب بیولوژیکی سبک (بیوفیلم) مقاومت حرارتی را به میزان قابل توجهی در عرض چند هفته پس از تشکیل افزایش می دهد.
5. حذف کننده های رانش ممیزی در برج های خنک کننده. حذف کننده های رانش فرسوده یا مفقود باعث از دست رفتن آب و خطر لژیونلا می شود. حذف کننده های با راندمان بالا می توانند رانش را به کمتر از 0.001٪ جریان آب در گردش کاهش دهند.

ملاحظات مقرراتی و زیست محیطی

سیستم های آب خنک کننده مشمول مجموعه ای از مقررات زیست محیطی و ایمنی در حال رشد هستند که اپراتورها باید آنها را با دقت پیگیری کنند.

• بخش 316 (ب) EPA ایالات متحده ساختارهای تخلیه حرارتی و ورودی را برای محافظت از آبزیان تنظیم می کند و مستقیماً بر سیستم های یک بار عبور نزدیک به منابع آب سطحی تأثیر می گذارد.
• OSHA و ادارات بهداشت ایالتی به دنبال بررسی‌های بارز شیوع بیماری، به طور فزاینده‌ای به برنامه‌های مدیریت آب رسمی لژیونلا برای برج‌های خنک‌کننده در ساختمان‌های تجاری و صنعتی نیاز است.
• مجوز تخلیه انفجاری تحت قانون آب پاک (NPDES) محدودیت هایی را برای دما، pH، باقیمانده های بیوسید و فلزات سنگین در آب تخلیه شده تعیین می کند. عدم رعایت می تواند منجر به جریمه های قابل توجهی شود.
• مقررات کمبود آب در مناطق مستعد خشکسالی (کالیفرنیا، تگزاس، بخش‌هایی از اتحادیه اروپا) تسهیلات را به سمت عملیات CoC بالاتر، مقاوم‌سازی خنک‌کننده خشک یا استفاده از آب بازیافتی به‌عنوان تامین کننده سوق می‌دهند.

انطباق پیشگیرانه - به جای پاسخ های واکنشی به تخلفات - به طور مداوم رویکرد مقرون به صرفه تر است. تنها یک شیوع لژیونلا که به یک برج خنک کننده مرتبط است می تواند منجر به هزینه بیش از 1 میلیون دلار شود زمانی که مسئولیت قانونی، جبران خسارت و آسیب شهرت در نظر گرفته شود.

روندهای نوظهور در طراحی سیستم آب خنک کننده

چندین روند فناوری در حال تغییر نحوه طراحی و عملکرد سیستم های آب خنک کننده هستند:

دوقلوهای دیجیتال و تجزیه و تحلیل پیشگو

مدل‌های شبیه‌سازی بی‌درنگ سیستم‌های خنک‌کننده - که توسط داده‌های حسگر اینترنت اشیا تغذیه می‌شوند - اپراتورها را قادر می‌سازد تا رسوب‌گذاری را پیش‌بینی کنند، دوز شیمیایی را بهینه کنند و خرابی‌های تجهیزات را قبل از وقوع پیش‌بینی کنند. گزارش پذیرندگان اولیه صرفه جویی در انرژی 10-20٪ و کاهش هزینه تعمیر و نگهداری 25-30٪ پس از اجرای کامل

استفاده از منابع آب احیا شده و جایگزین

آب بازیابی شده شهری، فاضلاب فرآیندهای صنعتی و حتی آب باران گرفته شده به طور فزاینده ای به عنوان منابع آب آرایشی استفاده می شود و وابستگی به منابع آشامیدنی را کاهش می دهد. الزامات تصفیه بسته به کیفیت منبع متفاوت است، اما این روش در حال حاضر در مناطق تحت تنش آب استاندارد است.

خنک کننده هیبریدی مرطوب-خشک

سیستم‌های هیبریدی حالت‌های خنک‌کننده مرطوب و خشک را ترکیب می‌کنند و بر اساس شرایط محیطی و در دسترس بودن آب، بین آن‌ها سوئیچ می‌کنند. این رویکرد می تواند مصرف آب را کاهش دهد 50-80٪ در مقایسه با برج های مرطوب معمولی در حالی که از جریمه راندمان کامل سیستم های تمام خشک اجتناب می شود.