نقش برج های خنک کننده در نیروگاه ها .....

نیروگاه برق که به نام کارخانه برق یا پست نیرو هم شناخته می شود، مجموعه یی از تاسیسات صنعتی است که از آن برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می شود. به دلیل محدودیت های موجود در اصول ترمودینامیک، هر نیروگاه گرمایی مقداری انرژی را به صورت انرژی اتلافی از دست می دهد. در نیروگاه های هسته یی یا برخی نیروگاه های گرمایی بزرگ از لوله های بسیار بزرگ هذلولی شکل برای آزاد کردن حرارت یا بخار آب در جو استفاده می شود. در پالایشگاه ها، صنایع نفتی و برخی از نیروگاه های حرارتی بزرگ از یک سیستم خنک کنندگی با فشار هوا استفاده می شود. در این نوع سیستم با استفاده از گردش هوای مصنوعی که به وسیله فن ایجاد می شود، گرمای تولید شده از یک فرآیند به آب منتقل می شود. در این روش، به برج های خنک کننده بلند و هذلولی شکل نیاز نخواهد بود و سیستم خنک کننده بیشتر شبیه یک اتاقک مستطیل شکل است.

در صحراها و مناطق خشک نیاز به یک رادیاتور با برج خنک کننده خشک خیلی ضروری تر است چرا که هزینه فراهم آوردن آب برای یک سیستم خنک کنندگی با تبخیر آب بسیار بالا خواهد بود. استفاده از روش های خنک کنندگی خشک در مقایسه با روش های خنک کنندگی با تبخیر آب دارای راندمان پایین تر و نیاز به مصرف انرژی بیشتر در فن هاست. در مواردی که از نظر اقتصادی و محیط زیست مانعی وجود نداشته باشد، استفاده از آب دریا، دریاچه، رودخانه و در صورت امکان حوضچه های مصنوعی می تواند مفیدتر باشد، زیرا با این کار نیازی به ساخت برج های خنک کننده یا پمپ کردن آب با تبادل گرمای حرارتی نخواهد بود.

البته باید به این نکته هم توجه داشت که آب بازگشتی از این فرآیند می تواند موجب آلودگی گرمایی شود. با توجه به مقدمه فوق و آشنایی کلی، برج خنک کننده را از دیدگاه فنی می توان مورد بررسی قرار داد. از دیدگاه مهندسی برج خنک کننده دستگاهی است که با ایجاد سطح وسیع تماس آب با هوا تبخیر را آسان می کند و باعث خنک شدن سریع آب می شود. باید توجه داشت آب مقداری از گرمای خود را به طریق تشعشع، هدایت، جابه جایی و بقیه را از راه تبخیر از دست می دهد. بیشتر دستگاه های خنک کننده از یک مدار بسته تشکیل شده اند که آب در این دستگاه ها نقش جذب، دفع و انتقال گرما را به عهده دارد. یعنی گرمای به وجود آمده توسط ماشین را جذب و از دستگاه دور می سازد. هرچند آب برای انتقال گرما بسیار مناسب است، اما به کار بردن آن مشکلاتی نیز به وجود خواهد آورد که رسوب سازی و خورندگی از مهم ترین آنها هستند. البته وارد شدن گرد و خاک به داخل برج خنک کننده نیز در بعضی مواقع ایجاد اشکال می کند. برج های خنک کننده به سه گروه تقسیم می شوند که عبارتند از؛ برج های خنک کننده مرطوب، برج های خنک کننده مرطوب خشک و برج های خنک کننده خشک.

در برج های خنک کننده مرطوب آب نقش اصلی و اساسی دارد و در صنعت دارای کاربرد فراوانی است. از برج های خنک کننده خشک بیشتر در مکان هایی که آب کافی برای خنک کردن برج وجود ندارد، استفاده می شود.

همانطورکه قبلاً گفته شود آب مقدار اندکی از گرما را از طریق تشعشع و در حدود ۴/۱ درصد آن را از راه هدایت و جابه جایی و بقیه را از راه تبخیر از دست می دهد. اختلاف فشار بخار آب بین آب و هوا باعث تبخیر می شود. این اختلاف بستگی به دمای آب و میزان اشباع هوا از آب دارد. مقدار تبخیر به سطح برخورد آب با هوا و همچنین شدت جریان هوا بستگی دارد. لازم به یادآوری است که جریان هوا در برج به صورت کشش طبیعی با استفاده از دودکش های هذلولی یا کشش مکانیکی (جریان مصنوعی) به وسیله بادبزن های مناسب در جهت مخالف آب یا به طور متقاطع با آن به جریان می افتد.

در سیستم برج خنک کننده آب گرم کندانسور از برج خنک کننده عبور می کند و با هوا تماس می یابد. در برج های خنک کننده با کشش طبیعی، پوسته خارجی برج از بتون مسلح ساخته شده و روی پایه ها تکیه دارد. هوا از قسمت پایین وارد برج خنک کننده می شود و به طرف بالا جریان می یابد و از دهانه بالای برج خارج می شود.

هزینه احداث برج ها و مقایسه آنها با یکدیگر

برای حجم معینی از کار خنک کنی، برج با جریان مصنوعی (برج مکانیکی) در مقایسه با برج طبیعی، به مصالح کمتر و ارزان تر نیاز دارد. برج مکانیکی به احداث دودکش نیاز ندارد. ساخت این دودکش ۳۰ تا ۵۰ درصد هزینه احداث برج با جریان طبیعی را تشکیل می دهد. برج مکانیکی تعدادی پنکه دارد و کارکرد آن نیز با مصرف برق همراه است. در عین حال به ادوات کنترل هم احتیاج دارد. برج مکانیکی برای عمر مفید ۲۰ ساله طراحی و احداث می شود و در مجموع هزینه ساخت یک برج خنک کننده طبیعی هم اندازه اش را ندارد. علاوه بر هزینه مصالح و ساخت، ارزش زمین مکان احداث برج نیز مطرح است.

گاهی مزاحمت مه برج مکانیکی و موانع اطراف در چرخش های موثر هوا، تخریب برج را لازم می سازد ولی در برج با جریان طبیعی نقطه خروج مه ارتفاع بیشتری دارد و از بابت مزاحمت مه جریان موثر هوا مشکلی ندارد. افزایش حجم کار خنک کنی در صورت استفاده از برج مکانیکی ایجاب می کند بر تعداد واحد های برج اضافه شود و این سبب اشغال زمین بیشتری خواهد شد. هزینه لوله کشی های برج مکانیکی خصوصاً در کارخانه های تولیدی، مقدار قابل توجهی از هزینه را تشکیل می دهد. چنانچه همه اقلام هزینه لحاظ شود، سطحی از ظرفیت برج را می توان یافت که بیش از آن برج مکانیکی گران تر از برج با جریان طبیعی در می آید. رابطه هزینه احداث و دفع حرارت نقطه یی را نشان می دهد که از آن به بعد برج مکانیکی پرهزینه تر است. با افزایش حجم کار خنک کنی، تفاوت هزینه احداث بین دو برج کمتر می شود و به جایی می رسد که برج با جریان طبیعی اقتصادی تر خواهد شد و چنین حالتی به شرایط طراحی، ارزش زمین و هزینه آماده سازی زمین نیز بستگی دارد.

شرایط آب و هوایی نقش مهمی در انتخاب برج خنک کننده مرطوب دارد. چون واحد های پتروشیمی و صنایع مشابه برجی را لازم دارند که با شرایط طرح در تابستان احداث شده باشند و بار (Load) برج تقریباً در سراسر سال ثابت باشد، پس تحت این شرایط برج مکانیکی بر نوع با جریان طبیعی ارجحیت دارد. برج مکانیکی معمولاً برای جایی توصیه می شود که اختلاف دمای لازم کم باشد (به عنوان مثال ۵/۵ تا ۱۱ درجه سانتیگراد). بهترین مورد کاربرد برج با جریان طبیعی در نیروگاه ها است چون بار نیروگاه ها در زمستان ممکن است بیشتر از تابستان باشد و کار خنک کنی، حجم بالایی دارد. به طور کلی برج با جریان طبیعی برای مناطقی قابل توصیه است که شرایط کار برج، دمای تراکم و دمای بالای آب ورودی و خروجی را شامل شود (دامنه وسیع خنک کن و اختلاف دما) یا بار زمستانی برج زیاد باشد. در مناطق خشک رطوبت نسبی پایین است و آب زیادی با تبخیر هدر خواهد رفت، لذا در این گونه مناطق استفاده از برج با جریان طبیعی توصیه نمی شود. در مناطقی با رطوبت نسبی متوسط، بر حسب اینکه حجم بار زمستانی برج چقدر باشد، می توان برج طبیعی را توصیه کرد. در مناطقی که دمای تابستان خیلی بالا باشد احداث برج با جریان طبیعی را نمی توان توصیه کرد، چون بازدهی مطلوب را نخواهد داشت. مناطق مرطوب بهترین جا برای کاربرد برج با جریان طبیعی هستند و روی همین اصل در اغلب مناطق مرطوب این برج ها قابل مشاهده اند.

برای مشخص کردن ابعاد رادیاتورها و شکل هذلولی گون برج، برای برداشت حرارتی مطلوب محاسبات آن توسط مهندسان مکانیک انجام می شود. طراحی بخش سازه براساس وضعیت ژئوتکنیک خاک بستر و همچنین بررسی وضعیت لرزه خیزی منطقه و تعیین شتاب مبنای طرح (آنالیز ریسک)، ارزیابی وضعیت شدت بارهای باد و طراحی سازه برج خنک کن توسط مهندسان عمران انجام می شود.

رامتین راوندی

فوق لیسانس مهندسی هسته یی (گرایش رآکتور ) و دبیر انجمن صنفی رونامه نگاران آزاد تهران