بررسی عددی برج خنک کننده خشک طبیعی نیروگاه حرارتی بخار
1- مقدمه
سیستمهای خنک کننده مختلفی برای خنک کردن آب به کار گرفته می شوند.سیستمهای خشک وسایلی هستند که در آنها گرما از یک سیال به طور
مستقیم به هوای محیط منتقل می شود.در سیستمهای خنک کننده خشک از مبدلهایی با سطوح توسعه یافته استفاده می شود که با جریان هوا خنک
می شود. در سیستم خنک کننده خشک غیر مستقیم که به نام اولین طراح آن پروفسور هلر مشهور است، عمل تخلیه گرمای زائد بخار خروجی
توربین به هوای محیط ،از طریق یک مدار واسطه آب صورت می گیرد.در نتیجه عمل انتقال گرما می بایست در دو مرحله یعنی ابتدا از بخار به
آب و سپس از آب به هوا صورت گیرد. انتقال گرمای مرحله اول در کندانسور صورت می گیرد. مرحله دوم یعنی انتقال گرمااز واسطه به هوا
در برج خنک کننده و از طریق مبدلهای مخصوص که به نام طراحان آن به مبدلهای هلر – فورگو موسوم است ،صورت می گیرد. این مبدلهای
حرارتی نیز از مجموعه لوله های پره دار از جنس آلومینیم تشکیل شده که در واحدهایی با ابعاد معین و به صورت دلتا با وضعیت عمودی در
پیرامون برج خنک کننده در فاصله مناسبی از ساختمان اصلی قرار دارند. سرعت و مقدار هوا در صورت استفاده از جریان اجباری از طریق
دریچه های کرکره مانند و در صورت استفاده از برج با مکش اجباری از طریق تغییر سرعت و تعداد فنها تنظیم می شود.
مهمتری خصوصیت برجهای خنک کننده خشک پایین بودن آب مصرفی آنهاست. با توجه به مشکل کمبود آب در ایران و مصرف بالای آب
سیستمهای خنک کننده تر، به کار گیری برجهای خنک کننده خشک در راستای صرفه جویی مصرف آب و همچنین کاهش آلودگی منابع آبی
بسیار مفید است.برجهای خنک کننده خشک طبیعی نوع هلر کارایی خوبی در خنک کردن آب خروجی از کندانسورهای نیروگاههای حرارتی
بخاردارند و در ایران نیز از این نمونه برج خنک کننده استفاده شده است. از معایب مهم برجهای خنک کننده خشک طبیعی،تآثیر شرایط جوی
نظیر دمای محیط و سرعت باد بر روی راندمان برج خنک کننده است که استفاده از آنها را محدود ساخته است.همچنین هزینه اولیه ساخت برج و
فضای اشغال شده آن نیز زیاد است. اما با توجه به کمبود منابع آب ایران ، مطالعه بر روی این نوع برجهای خنک کننده وبه کارگیری آنها در
نیرو گاهها مفید است. در این مطلب به اثر دمای محیط(با توجه به شرایط جوی ایران)بر روی دمای آب خروجی وعملکرد برج خنک کننده
پرداخته می شود.هدف ارائه روش طراحی برجهای خنک کننده خشک طبیعی بر اساس مبانی نظری و محاسبات دقیق است.
طراحی برج خنک کننده خشک به روش UΝΤ – ε توسط جابر و وب(1) استفاده شده است، اما معادلات ارائه شده در مرجع(2) که غالبا تجربی
اند نیز برای دقت بیشتر استفاده شده است.
بایز و کروجر(3) برنامه رایانه ای برای طراحی بهینه برج خنک کننده ارائه کرده اند. در این بهینه سازی تابع حالت هزینه است.
پنی واسپالدینگ(4)یک مدل دو بعدی برای مطالعه عددی جریان در برج خنک کننده پیشنهاد کرده اند. آنها از روش اختلاف محدود برای حل
عددی جریان داخل برج خنک کننده استفاده کرده اند، سپس مجومدر و همکارانش (5و6)این مدل برج خنک کننده با مکش اجباری را گسترش
داد.
این کد توسعه یافته موسوم به D2ARVEقابلیت حل جریان جابجایی طبیعی و اجباری دو بعدی را دارا بود.کیتان(7) یک مدل عددی دیگر موسوم به RAΤS برای طراحی برج خنک کننده ارائه کرد.سپس بنتن و والدروف(8) یک مدل رایانه ای برای شبیه سازی دو بعدی انتقال گرما, جرم و مومنتم در برج خنک کننده بیان کردند.آنها از روش انتگرالی برلی جریان دوبعدی شبه دائم در برج خنک کننده استفاده کردند. رادوساوفجویک و اسپالدینگ (9) با استفاده از نرم افزار ICSΝPHOE اثر جریان باد بر عملکرد برج خنک کننده را بررسی کرده اند.سو و همکارانش(10) نیز با استفاده از نرم افزار RΤSΝ اثر باد را روی راندمان برج خنک کننده خشک بررسی کرده اند.
اغلب کدهای رایانه ای فوق الذکر برای نرم افزار های تجاری تدوین شده اند که به دلیل کلی بودن آنها نیاز به حافظه و زمان CPU زیادی دارند و در برخی موارد پیشگویی جریان داخل برج دچار مشکل هستند(11).همچنین در تمام این کدها و تحقیقات،تنها به حل عددی جریان داخل برج پرداخته می شود و اثر مبدل حرارتی در نظر گرفته نمی شود.در حالی که عملا باید اثر مبدل حرارتی و برج خنک کننده به صورت توام مورد بررسی قرار گیرد.در مطالعه اخیر برنامه رایانه ای حل عددی جریان در برج خنک کننده تدوین شده و با برنامه رایانه ایشبیه سازی مبدل حرارتی نوع هلر کوپل شده است.بدین ترتیب پیشگویی بهتری برای دمای آب خروجی از برج بدست آمده است.
اخیرا هاولادر و لیو (11) به بیان حل عددی جریان در داخل برج خنک کننده تر طبیعی پرداخته اند. آنها از شبه کارتزین برای حل عددی استفاده کرده اند که به دلیل انحنای برج دارای خطای عددی زیادی هستند. همچنین آنها از یک مدل جبری ساده برای اغتشاش استفاده کرده اند که طبیعتا برای جریان جابجایی آزاد که در آن تلاطم جریان نقش زیادی دارد، نمی تواند صحیح باشد. همچنین در شبیه سازی انجام شده توسط هاولادر ولیو(11)،تنها داخل برج مورد مطالعه قرار گرفته است وبا توجه به نتایج آزمایش، از سرعت معلوم در ورودی برج استفاده کرده اند.
در این تحقیق از روش عددی سیمپلبر روی شبکه هم مکان و منطبق بر مرز استفاده شده است.مدل تلاطم ε-Kبرای اثر اغتشاش به کار گرفته شده است. همچنین میدان حل جریان علاوه برداخل برج شامل محیط اطراف آن نیز هست. مبدل حرارتی از نوع هلر به صورت رایانه ای شبیه سازی شده و به شکل عبارت چشمه در معادلات ناویر- استوکس و معادله انرژی ظاهر شده است.برنامه رایانه ای طراحی مبدل حرارتیبا برنامه رایانه ای حل عددی جریان ترکیب شده است.با استفاده از برنامه های رایانه ای تدوین شده می توان کلیه خصوصیات ترمودینامیکی برج خنک کننده از قبیل دبی هوای برج،دمای آب خروجی برج خنک کننده،توزیع دما، سرعت و فشار داخل برج را بدست آورد.
2-روش تحلیلی طراحی برج خنک کننده خشک طبیعی
وقتی که دماهای ورودی دو سیالدر یک مبدل حرارتی معلوم بوده و دماهای خروجی داده شده باشند و یا با اعمال موازنه انرژی به سهولت قابل محاسبه باشند،استفاده از روش اختلاف دمای لگاریتمی DΤLM برای تجزیه تحلیل مبدلهای حرارتی آسان است. ولی اگر فقط دماهای ورودی دو سیال معلوم باشند،استفاده از روش DTLM نیاز به سعی و خطا و تکرار دارد. در این حالت استفاده از روشUTΝ-ε ترجیح داده می شود.
حد اکثر گرمای مجاز در اصل به وسیله یک مبدل جریان مخالف با طول بینهایت بزرگ قابل حصول است.در چنین مبدل حرارتی یکی از دو سیال حد اکثر تغییر دمای مجاز ΤOU,WΤ- ΝI,WΤ را خواهد داشت. مقدار حداکثر انتقال گرما،axMqومقدار واقعی انتقال گرما،hqاز معادلات زیر محاسبه می شوند:
qh=ma cpa(Ta,out-Ta,in)
qh=mw cpw(Tw,in- Tw,out)
qmax=cmin(Tw,in – Ta,out)
pC ظرفیت گرمای ویژه در فشار ثابت، minC و maxC به ترتیب حداقل و حداکثر مقادیر pw C w M و paC a m ، in,wΤ دمای آب ورودی به مبدل حرارتی ،tuo,wΤ دمای آب خروجی از مبدل حرارتی، in,aΤ دمای هوای ورودی به مبدل حرارتی و tuo,aΤ دمای هوای خروجی از مبدل حرارتی است (اندیس a مربوط به هوا واندیس w مربوط به آب است).حال منطقی به نظر می رسد که بازده ε را به صورت نسبت انتقال گرمای واقعی به حداکثر انتقال گرمای مجاز تعریف کنیم: (2) xam q ⁄ hq = ε
بنا بر این خواهیم داشت:
(3) (uto,aΤ - in,wΤ ) inmC ε = hq
تعداد واحدهای انتقال NTU پارامتری بدون بعد است که در تجزیه و تحلیل مبدلهای حرارتی بطور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد و بصورت زیر تعریف می شود:
(4) در معادلات بالا AU ضریب کلی انتقال گرمای مبدل حرارتی است. برای مبدل حرارتی با جریان مخالف داریم:
و (5)
با در نظر گرفتن یک ضریب کوچکتر از واحد می توان از این معادله برای طراحی مبدل حرارتی برج خنک کننده استفاده کرد. روش دوم این است که از معادله ای که مخصوص مبدلهای حرارتی با لوله های پره دار است استفاده کنیم (12).
(6)
ضریب کلی انتقال گرما بر مبنای سطح جلویی در مبدل با لوله های پره دار را می توان بر مبنای هر سطح دلخواه در مبدل تعریف کرد. وابستگی این ضریب با ضرایب انتقال گرمای داخل لوله و خارج لوله به صورت زیر است:
