بخشی از مقاله
چکیده
آب یکی از اساسیترین عناصر زیست محیطی است که امروزه کمبود آن بسیاری از نهادها و جوامع را برای رفع این مسئلهی خطیر به فکر فرو برده است. استفاده از آب در تمام صنایع، امری رایج بوده و کمبود آن در ایران، یکی از عوامل محدود کنندهی اصلی توسعهی فعالیتهای اقتصادی، بخصوص در مناطق خشک و کم آب در دهه های آینده به شمار میرود. برجهای خنک کن نوعی از سیستمهای خنک کنندهی آب میباشند که میزان تبخیر در آنها بسیار چشمگیر است.
در این تحقیق، با به بکار گیری یک الگوریتم بهینه سازی سعی در طراحی یک برج خنک کن خشک شده که میتوان میزان تبخیر آب در این سیستمها را تا حد چشمگیری کاهش داد. در همین راستا با انجام تحقیقاتی بر روی برجهای خنک کنندهی شرکت توسعه آهن و فولاد گلگهر شهرستان سیرجان و با استفاده از مبدل خشک پیشنهادی ، تبخیر آب در برجهای خنک کننده به میزان قابل توجهی کاهش پیدا کرده است. لازم به ذکر است که به واسطه کاهش تبخیر آب، میزان آب دور ریز هم در این سیستمها کاهش یافته و علاوه بر حفظ منابع آب زیر زمینی منطقه، از صرف هزینههای گزاف جهت تهیهی آب مورد نیاز کارخانه جلوگیری خواهد شد.
-1 مقدمه
میزان توسعه صنعت آهن و فولاد یکی از پارامتر های رشد و توسعه اقتصادی هر کشور محسوب می شود. در این راستا ایران به دلیل دارا بودن ذخایر فرآوان سنگ آهن و مواد اولیه و منابع عظیم گاز امکان توسعه شایسته این صنعت را فرآهم می بیند. فرآیند میدرکس به عنوان یکی از روش های احیا مستقیم به دلیل مصرف بهینه انرژی ، فرآوانی گاز طبیعی و ایمنی بالای فرآیند ، رایج ترین تکنولوژی تولید آهن اسفنجی در کشور به شمار می رود و ساخت اغلب طرح های توسعه با این فرآیند دنبال شده است.
در روش میدرکس، گاز طبیعی با عبور از بستر کاتالیستی تیوب های ریفرمر به گازهای احیایی H2 و CO شکسته می شود. گازهای احیایی با دمای حدود 800 درجه سانتی گراد، از بین گندله های داخل کوره عبور می کند و ضمن احیا اکسید های آهن به آهن خالص ، از بالای کوره عبور می کند، و مجدد جهت برگشت به ریفرمر و افزایش کیفیت گاز انتقال می یابد. آهن اسفنجی تولید شده در کوره نیز پس از خنک کاری و کاهش احتمال اکسیداسیون ، مجدد از پایین کوره خارج می شود. گازهای موجود در این فرآیند پس از انجام واکنش های لازم با استفاده از آب در اسکرابر ها و کولرها شستشو و خنک می گردند. و برای استفاده مجدد آماده می شوند. [1]
یکی از محدودیت های فرآیند میدرکس، مصرف بالای آب این واحدها می باشد به طوری که برای تولید هر تن آهن اسفنجی حدود 1 تا 1/2 متر مکعب آب با کیفیت مناسب مورد نیاز می باشد. از طرف دیگر وجود ذخایر سنگ آهن در مرکز کشور و مناطق کویری موجب ایجاد کارخانجات احیا مستقیم در نزدیکی معادن شده است. این امر موجب بروز مشکلاتی در تامین آب این واحدها در فصول گرم سال شده است.
معرفی خنک کننده خشک:
در مکان هایی که آب کافی برای برج های خنک کننده مرطوب وجود ندارد، می بایست از اتلافات ناشی از تبخیر، حداکثر جلوگیری بعمل آید، از این نوع برج استفاده می شود. در برج های خنک کننده خشک، آب در حال گردش از میان لوله های پره دار عبور کرده بطوریکه هوای سرد از روی آنها عبور می کند. بنابراین حرارت آب در حال گردش از طریق لوله ها خارج شده و جذب هوای سرد می گردد.
برج های خنک کننده خشک می تواند با کشش طبیعی و یا با کشش مکانیکی عمل نمایند. یک افشانک هوا که با بخار کار می کند، با خارج کردن هوا و سایر گازهای غیر قابل تراکم به برقراری خلا کمک می کند و برای جلوگیری از نشت هوا به داخل دستگاه ، پمپ گرادیان اصلی فشار در داخل برج را مثبت نگه می دارد. ممکن است قسمتی از کار پمپ توسط توربین هیدرولیک بازیابی گردد که این عمل پس از خروج آّب از برج در مسیر آب فشانه های جتی انجام می گیرد.
مهمترین خصوصیت برج های خنک کننده خشک، پایین بودن آب مصرفی آنهاست. با توجه به مشکل کمبود آب در ایران مخصوصا در ناحیه استان کرمان و مصرف زیاد آب در سیستم خنک کننده تر، به کارگیری برج های خنک کننده خشک در راستای صرفه جویی مصرف آب و همچنین کاهش آلودگی منابع آبی بسیار مفید است. همچنین یکی از معایب مهم برج های خنک کننده خشک طبیعی در فصول گرم سال تاثیر دمای محیط بر روی راندمان برج خنک کننده می باشد . که با توجه به گرمسیر بودن اغلب مناطق ایران می تواند مشکلاتی در تابستان ایجاد نماید.
مروری بر کارهای انجام شده:
طراحی برج خنک کن خشک به روش η - NTU توسط جابر و وب ایجاد شده است.[2] ، در این طراحی مبدل حرارتی با لوله های پره دار مورد بررسی قرار گرفته است. اما معادلات ارائه شده در مرجع[3 ] که غالبا تجربی اند، نیز برای دقت بیشتر استفاده شده است. پنی و اسپالینگ [ 4 ] یک مدل دو بعدی برای مطالعه عددی جریان در برج خنک کننده، پیشنهاد داده اند.
آنها از روش اختلاف عددی برای حل عدد جریان داخل برج خنک کننده با مکش اجباری را گسترش دادند. مجومردو همکارانش [5] این مدل برج خنک کننده با مکش اجباری گسترش دادند. این کد توسعه یافته موسوم به VERA2D قابلیت حل جریان جابجایی دو بعدی را دارا بود. وی و آل واکد و همکاران7 ]،[6، تاثیر باد را روی بازده برج خنک کننده خشک مورد مطالعه قرار دادند [ 8 ] یانگ و همکاران، در زمینه جریان و دمای هوای برج خنک کننده بوسیله شبیه سازی CFD مطالعاتی انجام دادند.
در سال 1982 کی تان [9] روشی را برای حل برج های خنک کننده جریان مخالف و متقاطع با نوشتن کد کامپیوتری STAR ارائه نمود، در این روش وی معادلات دیفرانسیل دو بعدی حاصله از تحلیل های دینامیک سیالات و ترمودینامیک را با بکارگیری یک روش تفاضل محدود روی یک شبکه با مش های مستطیلی حل نمود. سو و همکارانش [10] با استفاده از نرم افزار NSTAR اثر باد را روی راندمان برج خنک کننده خشک بررسی کردند.
در سال 1983 روشی توسط ساترلند[ 11 ] ارائه شد که در آن از یک راه حل دقیق برای حل معادلات حاکم بر برج خنک کننده استفاده شد. ساترلند در روش خود، کل برج را یک حجم کنترل در نظر گرفت و معادلات دیفرانسیلی خود را بر اساس تغییرات کمیت ها از بالا به پایین برج تنظیم نمود. او در مدل خود اثرات تبخیر آب ورودی را در نظر گرفت و فاکتور لوئیس را در برج، مخالف واحد در نظر گرفت.
در سال 1986 فوجیتا و تزوکا [ 12] عملکرد حرارتی برج های خنک کننده ی جریان مخالف و متقاطع با جریان هوای اجباری را با استفاده از تئوری پتانسیل آنتالپی حل نمودند. هالساز در سال [ 11] 1999 با ارائه یک مدل ریاضی بی بعد برای معادلات حاکم، راندمان برج را تنها بر اساس دو متغیر بدست آورد. وی به کمک این روش توانست نتایج قابل قبولی برای برج های خنک کننده، چه از نوع جریان مخالف و چه از نوع جریان متقاطع ارائه کند.
در سال 2005 ، کلوپر و کروگر [ 13 ] به ارائه معادلات حاکم بر برج خنک کننده با سه روش: ریگروس پوپ، مرکل و روش کارایی NTU پرداختند و معادله پوپ را با روش رانگ کوتای مرتبه 4 حل کرده و به مقایسه نتایج حل سه روش با یکدیگر پرداختند. در سال 2009 کاظمی و همکاران [ 14] به تحلیل فرآیند انتقال حرارت و جرم در برج های خنک کننده ی باز از نوع جریان مخالف پرداختند. وانگ و همکاران در سال [15] 2010 عملکرد حرارتی برج خنک کن مرطوب با کانال های هدایت کننده جریان هوای داخلی تحت شرایط بادهای متقاطع را بررسی و آزمایش کرد.
در سال 2011 وانگ و لی [16] به آنالیز ترمودینامیکی برج های خنک کن مرطوب جریان مخالف پرداخته و فرمول بندی اکسرژی را برای این سیستم ها گسترش دادند. در سال 2011 سعیدی و همکاران [17] به ارزیابی ملاک های مصرف انرژی برج های خنک کن مرطوب در کشور ایران پرداخته و در این راستا یک برنامه طبقه بندی انرژی را گسترش داد و مورد ارزیابی قرار دادند. در سال 202 آزواپوزیتکول و تری اوتوک [18] یک روش ساده برای محاسبه و ارزیابی ظرفیت عملکرد حرارتی برج خنک کن جریان مخالف ارائه نمودند.
در سال 2013 لوکاس و همکاران [19] به بررسی تجربی روی عملکرد برج های خنک کن با انواع مختلف سیستم پخش آب و حذف کننده های دریفت پرداختند. در سال 2014 هرناندز و همکاران [20] از تکنیک منظم قائم جهت حل معادلات روش پوپ برای بحث انتقال جرم و حرارت در یک برج خنک کن مرطوب جریان مخالف استفاده نموند. درسال 2014 گائو و همکاران [21] در پژوهشی دیگر براساس تئوری تشابهی به مطالعه جزئیات یک مدل حرارتی آزمایشی پرداختند و سیر تکاملی پروفیل دمایی آب / هوا داخل برج خنک کن مرطوب با جریان طبیعی، تحت شرایط باد عرضی به میزان کم را بررسی کردند.
روش تحلیلی طراحی برج خنک کننده طبیعی
وقتی دماهای ورودی دو سیال در یک مبدل حرارتی معلوم بوده و دماهای خروجی داده شده باشند. استفاده از روش اختلاف دمای لگاریتمی LMTD برای تجزیه و تحلیل مبدل های حرارتی آسان است. ولی اگر فقط دماهای ورودی دو سیال معلوم باشند، استفاده از روش LMTD نیاز به سعی و خطا و تکرار دارد. در این حالت استفاده از روش NTU ترجیح داده می شود. حداکثر گرمای مجاز در اصل بوسیله یک مبدل جریان مخالف با طول بینهایت بزرگ قابل حصول است. در چنین مبدل حرارتی یکی از دو سیال حداکثر دمای مجاز Tw,in - Tw,out را خواهد داشت.
