مقاله تحلیلی تأثیر شرایط محیط روی عملکرد برج خنک کن خشک نیروگاه با افزودن اسپری آب

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

تحليلي تأثير شرايط محيط روي عملکرد برج خنک کن خشک نيروگاه با افزودن اسپري آب

چکيده
در اين مقاله تأثير شرايط محيط روي عملکرد پيک کولر و تأثير اسپري آب و جايگزيني با بخشي از برج تر نيروگاه مورد بررسي قرار گرفته است . با توجه به مشکل کمبود آب در ايران و مصرف بالاي آب سيستم هاي خنککننده تر، به کارگيري برج هاي خنککننده خشک در راستاي صرفه جويي مصرف آب و همچنين کاهش آلودگي منابع آبي بسيار مفيد است . در اين مقاله رطوبت نسبي هواي خروجي بعد از اسپري آب در دبي هاي مختلف آب اسپري شده روي مبدل حرارتي با استفاده از روشهاي تحليلي و عددي مورد بررسي قرار گرفته است که نتايج عددي مطابقت نزديکي با دادههاي تحليلي دارند. دبي آب اسپري شده، دما و رطوبت هواي محيط تأثير زيادي در ميزان تبخير آب و در نتيجه بازده نيروگاه دارد. نتايج به دست آمده نشان مي دهد با افزايش دماي محيط ، ميزان انتقال حرارتي که مبدل از دست مي دهد، کاهش مي يابد، در نتيجه در روزهاي گرم تابستان راندمان کاهش مي يابد. با استفاده از اسپري آب در دبي هاي مختلف و در دماهاي متفاوت محيط حتي به مقدار کم در دماي محيط بالا، ميزان انتقال حرارت افزايش قابل توجهي دارد؛ در حالي که با نسبت دبي آب به هوا ٣-١٠× ٨.٢٤ در دماي محيط ٣٧ درجه (که ايجاد رطوبت صددرصد مي کند)، ضريب انتقال حرارت جابه جايي در حالت بدون اسپري با حالت اسپري آب مي تواند تا بيش از ٨٥ درصد افزايش يابد. اين مقدار افزايش انتقال حرارت براي دماي محيط بالا در شرايط يکسان بيشتر نيز مي باشد، همچنين با افزايش دبي آب اسپري نيز مي توان نرخ انتقال حرارت را افزايش داد.
واژه هاي کليدي: اسپري آب - برج خنک کننده خشک -پيک کولر -مبدل حرارتي -نيروگاه

١ ـ مقدمه
يکي از معايب مهم برجهاي خنک کننده ي خشک، در فصول گرم سال تأثير دماي محيط بر روي راندمان برج خنککننـده مي باشد که با توجه به گرمسير بودن اغلب مناطق ايران مي تواند مشکلاتي را در تابستان ايجاد نمايد. يکي از روشهاي افـزايش کارايي برج خنککننده خشک براي شرايطي که دماي محيط زياد مي باشد، استفاده از اسپري آب بـراي خنـک کـردن جريـان هواي ورودي به مبدل مي باشد. يانگ و کلارک [١]، اثر اسپري را در جريان هوا ورودي به مبدل حرارتي فشرده هوا خنـککـن به صورت تجربي بررسي کردند. آنها از هسته رادياتور خودرو به عنوان مبدل و از آب و اتيلن گليکول به عنوان اسپري اسـتفاده کردند. ناکاياما، کارپنتر، سيمپسون و همکاران [٤-٢]، انتقال حرارت از دسته لوله را با جريان مخلوط هـوا- آب بررسـي کردنـد.
نتايج آزمايش آن ها نشان داد وقتي که آب در سطح تبخير مي شود، مکانيزم اصلي افزايش انتقال حرارت مي باشد. هونوراتـا [٥]، افزايش انتقال حرارت از خنککن هوا پره با اسپري آب به صورت تجربي مورد مطالعه قرار داد. نتايج تجربي او نشان داد کـه بـا اسپري آب، انتقال حرارت مي تواند بيش از ١٢٥% افزايش يابد. استابات و مارچيو [٦] رفتـار بـرج خنـک کـن تبخيـري تمـاس مستقيم را با مدل ساده به صورت تجربي مطالعه کردند. جورج فاکو و اوليوريا [٩-٧] نيز روابـط بـين انتقـال حـرارت و جـرم را براي طراحي برج خنککننده تماس مستقيم کوچک بدست آوردند. آنها بيان کردند که انتقال جرم رابطه مسـتقيمي بـا دبـي جريان هوا و ضرايب انتقال حرارت با دبي اسپري آب دارد. آنها انتقال حرارت و جرم را در يک برج خنککن تماس مستقيم بـه صورت عددي با کد تجاري فلوئنت شبيه سازي کرده و با نتايج تجربي مقايسه نمودند. آنها مدل خود را به صورت دو بعـدي و بدون پره در نظر گرفتند. محدوديت مطالعه عددي کارشان چشم پوشي از فيلم سيال (اسپري) در مدلشان بـود. عل ي حسـن و کاي سيرن [ ١٠ و ١١]، بررسي لوله هاي ساده و پره دار مبدل هاي تبخير کننده را به صورت تجربي مورد مطالعـه قـرار دادنـد.
براي شرايط يکسان آن ها دماي اسپري آب را ثابت فرض کردنـد. مقيميـان و همکـاران [١٢]رانـدمان نيروگـاه را بـا اسـتفاده از تزريق قطرات آب در هواي ورودي کندانسور به صورت عددي بررسي کردند. در اين مقاله مبدل حرارتي پرهدار با آرايش مثلثي مورد مطالعه قرار گرفته و اثر اسپري آب و تأثير شرايط محيطي روي آنها مطالعه شده است . هدف اصلي تـأثير دمـا و رطوبـت محيط قبل و بعد از افزودن اسپري آب مي باشد.
٢ ـ مدلسازي انتقال حرارت در مبدل حرارتي
شار حرارتي از مبدل به سيال محيط از رابطه زير به دست مي آيد:

معادله تعادل حرارت در مبدل حرارتي براي دو سمت هوا و آب به صورت زير در نظر گرفته مي شود:

که در روابط بالا، q شار حرارتي ، h ضريب انتقال حرارت جابه جايي ، دماي پايين دست مبدل حرارتـي و دمـاي
I مرجع مايع ،  ظرفيت گرماي ويژه سيال ،  سطح جلويي مبدل حرارتي و mنرخ جريان جرم سيال مي باشد.

٣ ـ بررسي تحليلي اثر اسپري آب
اثر اسپري آب روي مبدل حرارتي را مي توان به دو بخش رطوبت زا و گرمايش تقسيم کرد که در حالت اسپري دماي حباب تر و در سيستم گرمايش نس ت ب رطوبت تقريباً ثابت مي ماند. موازنه آنتالپي و جرم براي اسپري آب به صورت زير هستند (شکل ١).

که در آن Q نرخ انتقال حرارت ، W نرخ کار، M نرخ جريان جرم سيال ، h آنتالپي ، W نسبت رطوبت و زيرنويس هايa ، w،in و out به ترتيب مربوط به هوا، آب، ورودي و خروجي مي باشد.


شکل ١: طرح شماتيک از اسپري آب
٤ ـ شبيه سازي جريان به روش عددي
مدلسازي به صورت سه بعدي بوده و شرايط مرزي در شکل (٢) توضيح داده شده است . شبکه بندي به طور بي سازمان مي باشد. در محل اسپري و نزديکي لوله ها تراکم زيادي مي باشد. مدل نهايي پس از مطالعات شبکه و استقلال نتايج از شبکه بندي داراي ٣٨٥٢٤٥ گره مي باشد. دماي لوله ها ثابت و پرهها به صورت شرط مرزي جفت شده مي باشد.

شکل ٢: هندسه و شرايط مرزي
٥- معادلات حاکم بر جريان
معادله بقاي جرم، معادله ممنتم و انرژي معادلات حاکم بر جريان بوده و عبارتند از:

که در آن چشمه Sm جرم افزوده براي شرايط تبخير و ميعان مي باشد. K ضريب رسانائي گرمايي ، E انرژي کل و تانسور تنش موثر (لايه اي و متلاطم )، Uiمؤلفه بردار سرعت در راستاي فضايي ، p بيانگر فشار، نيروي حجمي گرانش ، لزجت مولکولي سيال، ادي لزجت متلاطم است . براي مدلسازي پديدة آشفتگي از مدل استفاده شده و بنابراين دو معادلة بقاي انرژي آشفتگي ، k و نرخ اتلاف انرژي جنبشي گردابه ها، به معادلات بالا افزوده مي شود.
حرکت قطرات از معادلات لاگرانژي محاسبه مي شوند. با برابر قرار دادن معادله نيروها اينرسي ذره با نيروهاي اعمالي
به ذره داريم :

سرعت ذره در هر نقطه و هر زمان از رابطه بدست مي آيد. در اينجا سرعت فاز سيال ، سرعت ذره ،
لزجت مولکولي سيال ، چگالي ذره و قطر ذره مي باشد.Reعدد رينولدز نسبي بوده و به صورت زير تعريف مي شود:

ضريب درگ، از رابطه زير به دست مي آيد:

که در آن a1 a2 a3 ثابت هايي هستند که براي ذرات کروي و صافي در محدوده رينولدزهاي ارائه شده توسط موريس و الکساندر [١٣] به کار مي روند. نيروي گرمايي به صورت زير تعريف مي شود:

که Dtp ضريب گرمايي مي باشد. تالبوت [١٤] رابطه زير را ارائه داده است :

که در آن عدد نادسن ، مسير متوسط آزاد سيال ، جرم ذره، T دماي موضعي سيال ، لزجت سيال، Kn از رابطه بدست مي آيد که در آن Kp ضريب هدايت حرارتي ذره، K ضريب هدايت حرارتي که بر انرژي انتقالي استوار است ، مقدار ثابت هاي به ترتيب ١.١٧ ، ٢.١٨ و ١.١٤ مي باشد.
نرخ تبخير با استفاده از گراديان پخش با شدت تبديل قطره به فاز گاز در ارتباط با غلظت بخار بين سطح قطره و گاز
پوشش داده مي شود:
 شار مولي بخار، Kc ضريب انتقال جرم ، Cis غلظت بخار در سطح قطره ، غلظت بخار در بالک گاز، Xi کسر مولي جزء i در بالک ، فشار عملياتي ، دماي بالک در گاز است . ضريب انتقال جرم از معادله زير به دست مي آيد:

که در آن Dim ضريب پخش بخار در بالک، Sc عدد اشميت ، dp قطر ذره مي باشد. جرم قطره بر اين اساس کاهش مي يابد:

که در آن Mwi جرم مولکولي جزء i،mp جرم قطره ، Ap سطح مقطع قطره مي باشد. دماي قطره با تعادل گرمايي بين قطره و انتقال حرارت جابه جايي وگرماي نهان تبخير بين قطره و فاز گاز حاصل مي شود: