بر کاربرد این تکنولوژی در صنعت خودروسازی . همچنین در بخش پایانی این مقاله به برج های خنک کننده , شناخت و نحوه طراحی آنها خواهیم پرداخت . لازم به ذکر است از آنجا که اغلب cooling tower ها در کشور ما به صورت آبی هستند و کاربرد نانو سیالات در cooling tower هنوز در دست مطالعه است و تمامی منابع در این زمینه فاقد سندیت قطعی و در حد و حدود فرضیه هستند , در این مقاله صرفا برج های خنک کننده آبی و نحوه طراحی آنها بررسی شده است . زیرا تنها صنعتی که در حال حاضر در آن از مبدل های حرارتی نانو استفاده شده است و تمامی تحقیقات و نظریات آن به اثبات رسیده , صنعت خودروسازی میباشد .
اشاره کرد.این امر نشان دهنده ناتوانی این مدلها در پیش بینی صحیح خواص نانوسیال است.بنابراین برای کاربردی کردن این نوع از سیالات در آینده و در سیستمهای جدید ، باید اقدام به طراحی و ایجاد مدلها و تئوریهایی شامل اثر نسبت سطح به حجم و فاکتورهای سیالیت نانوذرات و تصحیحات مربوط به آن کرد.
اخیرا استفاده از نانو سیالات که در حقیقت سوسپانسیون پایداری از نانوفیبرها و نانو ذرات جامد هستند،به عنوان راهبردی جدید در عملیات انتقال گرما مطرح شده است.تحقیقات اخیر روی نانو سیالات ، افزایش قابل توجهی را در هدایت گرمای آن ها نسبت به سیالات بدون نانو ذرات و یا همراه با ذرات بزرگتر (ماکرو ذرات)نشان می دهد.از دیگر تفاوتهای این نوع سیالات ، تابعیت شدید هدایت گرمای از دما،همچنین افزایش فوق العاده شار گرمای بحرانی در انتقال گرما جوشش آنهاست.نتایج آزمایشگاهی به دست آمده از نانو سیالات نتایج قابل بحثی است که به عنوان مثال می توان به انطباق نداشتن افزایش هدایت گرما با تئوریهای موجود
مقدمه / سیستمهای خنک کننده
یکی از مهمترین دغدغه های کارخانه ها و صنایعی مانند میکرو الکترونیک و هر جایی است که به نوعی با انتقال گرما روبه رو باشد. با پیشرفت فناوری در صنایعی مانند میکرو الکترونیک که در مقیاسهای زیر صد نانومتر عملیاتهای سریع و حجیم با سرعت های بسیار بالا (چند گیگا هرتز) اتفاق می افتد و استفاده از موتورهایی با توان و بار گرمایی بالا اهمیت به سزایی پیدا می کند،استفاده از سیستمهای خنک کننده پیشرفته و بهینه ، کاری اجتناب نا پذیر است. بهینه سازی سیستمهای انتقال گرما موجود،در اثر مواقع به وسیله افزایش سطح آنها صورت می گیرد که همواره باعث افزایش حجم و اندازه این دستگاهها می شود لذا برای غلبه بر این مشکل،به خنک کننده های جدید و موثر نیاز است و نانوسیالات به عنوان راهکاری جدید در این زمینه مطرح شده اند.
نانو سیالات به علت افزایش قابل توجه خواص گرمایی،توجه بسیاری از دانشمندان را در سالهای اخیر به خود جلب کرده است.به عنوان مثال مقدار کمی (حدود یک درصد حجمی ) از نانوذرات مس یا نانو لوله های کربنی در اتیلن گلیکول یا روغن به ترتیب افزایش ۴۰ و ۱۵۰ درصدی در هدایت گرمایی این سیالات ایجاد می کند در حالی که برای رسیدن به چنین افزایشی در سوسپانسیون های معمولی ، به غلظتهای بالاتر از ده درصد از ذرات احتیاج است این در حالیست که مشکلات رئولوژیکی و پایداری این سوسپانسیون ها در غلظتهای بالا مانع از استفاده گسترده آنها در انتقال گرما می شود.
این تغییرات در خواص گرمای نانوسیالات فقط مورد توجه دانشگاهیان نبوده است،در صورت تهیه موفقیت امیز و تایید پایداری آنها می تواند آینده ای امیدوار کننده در مدیریت گرمای صنعت را رقم بزند.البته از سوسپانسیون نانو ذرات فلزی،در دیگر زمینه ها از جمله صنایع دارویی و درمان سرطان نیز استفاده شده است.به هر حال تحقیق در زمینه نانوذرات،دارای آینده ای بسیار گسترده است.
در برخی از تحقیقات ، هدایت گرمای نانوسیالات ، چندین برابر بیشتر از پیش بینی تئوریها است. از دیگر نتایج بسیار جالب،تابعیت شدید هدایت گرمای نانوسیالات و افزایش تقریبا سه برابری فلاکس گرمای بحرانی آنها در مقایسه باسیالات معمولی است.
تهیه نانوسیالات
بهبود خواص گرمای نانوسیال احتیاج به انتخاب روش تهیه مناسب این سوسپانسیونها دارد تا از ته نشینی و ناپایداری آنها جلوگیری شود.متناسب با انواع کاربرد،انواع بسیاری از نانوسیالات از جمله نانوسیال اکسید فلزات،نیتریت ها،کاربید فلزات و غیر فلزات که به وسیله یا بدون استفاده از سورفکتانت در سیالاتی مانند آب،اتیلن گلیگول و روغن به وجود آمده است.مطالعات زیادی روی چگونگی تهیه نانوذرات و روشهای پراکنده سازی آنها در سیال پایه انجامشده است که در اینجا به طور مختصر چند روش متداول را که برای تهیه نانو سیال وجود دارد ذکر می کنیم.
یکی از روشهای متداول تهیه نانوسیال،روش دو مرحله ای است.در این روش ابتدا نانوذره یا نانو لوله معمولا به وسیله روش رسوب بخار شیمیایی (CVD ) در فضای گاز بی اثر به صورت پودر های خشک تهیه می شود،در مرحله بعد نانو ذره یا نانو لوله در داخل سیال پراکنده می شود.برای این کار از روشهایی مانند لرزاننده های مافوق صوت و یا از سورفکتانت ها استفاده می شود تا توده های نانو ذره ای به حداقل رسیده و باعث بهبود رفتار پراکندگی شود.روش دو مرحله ای برای بعضی موارد مانند اکسید فلزات در آب،دیونیزه شده بسیار مناسب است و برای نانو سیالات شامل نانو ذرات فلزی سنگین،کمتر موفق بوده است.
روش دو مرحله ای دارای مزایای اقتصادی بالقوه ای است;زیرا شرکتهای زیادی توانایی تهیه نانو پودر ها در مقیاس صنعتی را دارند.
روش یک مرحله ای نیز به موازات روش دو مرحله ای پیشرفت کرده است;به طور مثال نانو سیالاتی شامل نانوذرات فلزی با استفاده از روش تبخیر مستقیم تهیه شده اند.در این روش ،منبع فلزی تحت شرایط خلا تبخیر می شود.
در این روش،تراکم توده نانوذرات به حداقل خود میرسد،اما فشار بخار پایین سیال یکی از معایب این فرایند محسوب می شود;ولی با این حال روشهای شیمیایی تک مرحله ای مختلفی برای تهیه نانو سیال به وجود آمده است که از آن جمله می توان به روش احیای نمک فلزات و تهیه سوسپانسیون آن در حلالهای مختلف برای تهیه نانوسیال فلزات اشاره کرد.مزیت اصلی روش یک مرحله ای ،کنترل بسیار مناسب روی اندازه و توزیع اندازه ذرات است.
انتقال گرما در سیالات ساکن
خواص استثنایی نانو سیالات شامل هدایت گرمای بیشتر نسبت به سوسپانسیون های معمولی،رابطه غیر خطی بین هدایت به دما و افزایش شدید فلاکس گرمای در منطقه جوشش است.این خواص استثنایی، به همراه پایداری،روش تهیه نسبتا آسان و ویسکوزیته قابل قبول باعث شده تا این سیالات به عنوان یکی از مناسب ترین و قوی ترین انتخاب ها در زمینه سیالات خنک کننده مطرح شوند.
بیشترین تحقیقات روی هدایت گرمای نانوسیالات ، در زمینه سیالات حاوی نانوذرات اکسید فلزی انجام شده است.
ماسودا افزایش ۳۰ درصدی هدایت گرما را با اضافه کردن ۴.۳ درصد حجمی آلومینا به آب گزارش کرده است.لی افزایش ۱۵% درصدی را برای همین نوع نانوسیال با همین درصد حجمی گزارش کرده است که تفاوت این نتایج را ناشی از تفاوت در اندازه نانوذرات به کار رفته در این دو تحقیق می داند.قطر متوسط ذرات آلومینای به کار رفته در آزمایش اول ۱۳ نانومتر و در آزمایش دوم۳۳ نانو متر بوده است.زای و همکاران افزایش ۲۰ درصدی را برای ۵۰ درصد حجمی از همین نانو ذرات گزارش کرده اند.گروه مشابهی برای نانوذرات کاربید سیلیکون نیز به نتایج مشابهی رسیده اند.لی بهبود نسبتا کمتری را در هدایت گرمای نانو سیالات حاوی نانوذرات اکسید مس،نسبت به نانوذرات آلومینا مشاهده کرد;در حالیکه ونگ ۱۷ درصد افزایش هدایت گرما را برای فقط ۴% درصد حجمی از نانوذرات اکسید مس در آب گزارش کرده است.برای نانو سیال با پایه اتیلن گلیکول، افزایش بالای ۴۰ درصد برای ۳%درصدحجمی مس با متوسط قطر ده نانومتر گزارش شده است.پتل افزایش بالای ۲۱% برای سوسپانسیون ۱۱% حجمی از نانو ذرات طلا و نقره که به ترتیب در آب تولوئن پراکنده شده بودند را مشاهده کرد.در مواردی هم هیچ افزایش قابل توجهی در هدایت مشاهده نشده است.
اخیرا تحقیقات دیگری روی وابستگی هدایت به دما برای غلظتهای بالای نانوذرات اکسید فلزات و غلظتهای پایین نانوذرات فلزی در حال انجام است که در هر دو مورد در محدوده دمای ۲۰ تا ۵۰ درجه سانتیگراد افزایش ۲ تا ۴ برابری در هدایت مشاهده شده است و در صورت تایید این خواص برای دماهای بالاتر می توان نانوسیال را در سیستمهای گرمایشی نیز استفاده کرد.بیشترین افزایش هدایت در سوسپانسیون نانولوله های کربنی گزارش شده است که علاوه بر هدایت گرمای بالا ، نسبت طول به قطر بالایی دارند.از آنجا که نانو لوله های کربنی ،تشکیل یک شبکه فیبری می دهند،سوسپانسیون آنها بیشتر شبیه کامپوزیتهای پلیمری عمل میکند.بیرکاک افزایش ۱۲۵ درصدی هدایت را در اپوکسی پلیمر-نانولوله حاوی یک درصد نانو لوله حاوی یک درصد نانولوله تک دیواره گزارش کرد،همچنین مشاهده کرد که با افزایش دما ،هدایت گرما افزایش می یابد.
چون برای سوسپانسیون یک درصد نانولوله های چند دیواره در روغن ۱۶ درصد افزایش هدایت گرما گزارش کرده است.گزارشها و تحقیقات مختلفی در زمینه افزایش هدایت گرمای سوسپانسیون نانو لوله کربنی ارائه شده است;زای افزایش ۱۰ تا ۲۰ درصدی هدایت گرما را در سوسپانسیون یک درصد حجمی با سیال آب گزارش کرده است.ون و دینگ نیز ۲۵ درصد افزایش هدایت را در سوسپانسیون ۸ درصد حجمی در آب گزارش کرده است.اسیل بیشترین افزایش را ۳۸ درصد برای سوسپانسیون ۶ درصد حجمی در آب گزارش کرده است.
ون و دینگ افزایش سریع هدایت در غلظتهای حدود ۲ درصد حجمی را گزارش کرده و نشان داده است که این افزایش از آن به بعد تقریبا ثابت می ماند. در تمامی گزارشها افزایش هدایت با دما مشاهده شده ;هر چند برای دماهای بالاتر از ۳۰ درجه سانتیگراد این افزایش تقریبا متوقف می شود.
جریان، جابجایی و جوشش
اخیرا ضریب انتقال گرما نانو سیال در جابجایی آزاد و اجباری اندازه گیری شده است.داس آزمایشهای تعیین خواص گرمای جوشش را برای نانوسیال شروع کرد.یو فلاکس گرمای بحرانی نانو سیال آلومینا_آب در حال جوشش را اندازه گیری کرد و افزایش سه برابری در فلاکس گرمای بحرانی (CHF) را نسبت به آب خالص گزارش کرد. در همین زمینه واسالو نانو سیال سیلیکا-آب را تهیه کرد و همان افزایش سه برابری در CHF را گزارش کرد.
ضریب انتقال گرما جابجایی آزاد علاوه بر اینکه به هدایت گرما بستگی دارد، به خواص دیگری مانند گرمای ویژه،دانسیته و ویسکوزیته دینامیک نیز وابسته است که البته در این درصدهای حجمی پایین همان طور که انتظار می رفت و مشاهده شد،گرمای ویژه و دانسیته بسیار به سیال پایه نزدیک است.ونگ ویسکوزیته آلومینا-آب را اندازه گرفت و نشان داد که هر چه ذرات بهتر و بیشتر پراکنده شوند ویسکوزیته پایین تری را مشاهده می کنیم.وی افزایش ۳۰ درصدی در ویسکوزیته را برای سوسپانسیون ۳ درصد حجمی گزارش کرد که در مقایسه با نتیجه پک رچو ۳ برابر بیشتر به نظر میرسد که نشان دهنده وابستگی ویسکوزیته به روش تهیه نانو سیال است.ژوان ولی ضریب اصطکاک را برای نانو سیال حاوی یک تا دو درصد ذرات مس به دست آورد و نشان داد که این ضریب تقریبا مشابه سیال پایه آب است.ایستمن نشان داد که ضریب انتقال گرما جابجایی اجباری سوسپانسیون ۹ درصد حجمی از نانو ذرات اکسید مس ،۱۵ درصد بیشتر از سیال پایه است.
ژوان ولی ضریب انتقال گرما جابجایی اجباری در جریان آشفته را نیز اندازه گرفتند و نشان دادند که مقدار کمی از نانو ذرات مس در آب دیونیزه شده ، ضریب انتقال گرما را به صورت قابل توجهی افزایش می دهد ، به طور مثال افزودن ۲ درصد حجمی از نانو ذرات مس در آب ،حدود ۳۹ درصد انتقال گرما آن را افزایش می دهد. در حالی که در تناقض با نتایج بالا ، پک وچو کاهش ۱۲ درصدی ضریب انتقال گرما را در سوسپانسیون حاوی ۳ درصد حجمی از آلومینا و تیتانا در همان شرایط مشاهده کردند.پوترا با کار روی جابجایی آزاد،بر خلاف هدایت و جابجایی اجباری ،کاهش انتقال گرما را مشاهده کرد.داس با انجام آزمایشهای جوشش روی آلومینا- آب نشان داد که با افزایش درصد حجمی نانوذرات،بازدهی جوشش نسبت به سیال پایه کم می شود.وی این کاهش را به تغییر خواص سطحی بویلر به علت ته نشینی نانوذرات روی سطح ناهموار آن نسبت داد نه به تغغیر خواص سیال.یو با اندازه گیری فلاکس گرمای بحرانی برای جوشش روی سطوح تخت و مربعی مس که در نانو سیال آب – آلومینا غوطه ور بودند،نشان داد که فلاکس گرمایی این سیالات سه برابر آب است واندازه متوسط حباب،افزایش و فرکانس تولید آنها کاهش می یابد.
این نتایج را واسالو نیز تایید کرد.وی روی نانو سیال آب -سیلیکا کار می کرد و افزایش فلاکس گرمای بحرانی را برای غلظتهای کمتر از یک هزارم درصد حجمی گزارش کرد.هنوز مدلی برای پیش بینی این افزایشها و فاکتورهای موثر بر آن وجود ندارد.
هدایت گرمای نانوسیال
هدایت گرمای نانو سیال بیشترین مطالعات را به خود اختصاص داده است.این مقاله نیز به هدایت گرمایی در سیال ساکن پرداخته است.از آنجا که نانوسیال جز مواد مرکب و کامپوزیتی محسوب می شود ، هدایت گرمایی آن به وسیله تئوری متوسط موثر به دست می آید که به وسیله موسوتی،کلازیوس،ماکسول و لورانزا در قرن ۱۹ به دست آمد.
اگر از تاثیرات سطح مشترک نانو ذرات کروی صرف نظر شود،در مقادیر بسیار اندک نانو ذرات f=جز حجمی نانو ذرات همه مدلهای منتج از تئوری متوسط موثر ، حل یکسانی دارند.در مواردی که نانوذرات دارای هدایت گرمایی بالایی باشند پیش بینی می شود که افزایش هدایت گرمای نانو سیال f*3 خواهد شد که این پیش بینی ، تخمین خوبی برای مواردی است که هدایت ذرات ، بیشتر از ۲۰ برابر هدایت گرمای سیال باشد.
چشم انداز نانو سیال ها
در ده سال گذشته ، خواص جالبی برای نانو سیالات گزارش شده است که در این میان،هدایت گرما بیشترین توجه را به خود جلب کرده است ولی اخیرا خواص گرمای دیگری نیز مورد پژوهش قرار گرفته است. نانو سیالات را می توان در زمینه های مختلفی به کار برد،اما این کار با موانعی روبرو است،از جمله اینکه درباره نانوسیال چند نکته باید بیشتر مورد توجه قرار گیرد:
ضعف در تعیین مشخصات سوسپانسیون نانوذرات
تطابق نداشتن نتایج تجربی در آزمایشگاههای مختلف
نبود مدلها و تئوریهای مناسب برای بررسی تغییر خواص نانوسیال.
نکات برگزیده خواص استثنایی نانو سیالات شامل هدایت گرمایی بیشتر نسبت به سوسپانسیونهای معمولی،رابطه غیر خطی بین هدایت و غلظت مواد جامد و بستگی شدید هدایت به دما و افزایش شدید فلاکس گرما در منطقه جوشش است.
خواص استثنایی،به همراه پایداری،روش تهیه نسبتا آسان و ویسکوزیته قابل قبول باعث شده تا نانوسیالات به عنوان یکی از مناسب ترین و قوی ترین انتخاب ها در زمینه سیالات خنک کننده مطرح شوند.
مقدار کمی (حدود یک درصد حجمی)از نانوذرات مس یا نانولوله های کربنی در اتیلن گلیکول یا روغن به ترتیب افزایش ۴۰ و ۱۵۰ درصدی در هدایت گرمایی این سیالات ایجاد می کند.
از نانوسیالات میتوان به منظور توسعه سیستمهای کنترل حرارت در بسیاری کاربردها از جمله وسایل نقلیه سنگین استفاده نمود. کنترل حرارت یکی از عوامل کلیدی در فناوری‌‌های مربوط به محصولاتی مانند پیل سوختی و وسایل نقلیه دوگانه سوز– الکتریکی میباشد که بیشتر آنها تحت دماهای عمدتاً کمتر از دمای موتورهای احتراقی داخلی متداول، عمل می‌کنند.
بنابراین نیاز مبرمی به توسعه سیالات انتقال دهنده حرارت با هدایت گرمایی خیلی بالا و نیز انتقال این فناوری به صنایع خودرو وجود دارد.
اخیراً نانوسیالاتی حاوی نانو لوله کربنی ساخته شدهاند و نتایج آزمایشهای انجام شده بر روی این نانوسیالات نشان داده است که وجود نانولوله‌ها در یک سیال، هدایت گرمایی آن را بطور چشمگیری افزایش می‌دهد.
اخیراً پژوهش‌هایی در مورد نانوسیالات فلزی حاوی نانوذراتِ مسِ با قطرِ کمتر از ۱۰ نانومتر که در اتیلن گلیکول پخش شده بودند انجام شده است. این پژوهش‌ها نشان می‌دهد که در جزء حجمی بسیار اندکی از نانوذرات، رسانایی گرمایی می‌تواند بیشتر از قابلیت رسانایی صرف خود سیال و یا نانوسیالات اکسیدی (مانند اکسید مس و اکسید آلومنیوم با قطر متوسط ذرات ۳۵ نانومتر) باشد. همانطور که در نمودار ۱ نشان داده شده است. به علت اینکه تاکنون هیچکدام از نظریههای معمول، اثرات ناشی از قطر ذرات و یا هدایت آنها بر روی میزان هدایت نانوسیالات را پیش‌بینی نکرده‌اند، این نتایج غیر منتظره است.
جالبتر آنکه افزایش هدایت گرمایی مربوط به نانو لوله یک گام از پیش‌بینی های انجام شده به وسیله نظریههای موجود فراتر است. از این گذشته نمودار هدایت گرمایی اندازه گیری شده بر حسب حجم‌های جزئی، به صورت غیرخطی میباشد حال آنکه تئوریهای رایج به وضوح وجود یک نسبت خطی را میان این دو پارامتر نشان داده بودند
از ویژگی‌های کلیدی نانوسیالات که تاکنون کشف شدهاند میتوان هدایت‌های گرمایی بسیار بالاتر از آنچه که سوسپانسیونهای مرسوم از خود نشان داده بودند، وجود نسبت غیر خطی میان هدایت گرمایی و غلظت نانولوله‌های کربنی در نانوسیالات و نیز وابستگی شدید هدایت گرمایی به دما و افزایش چشمگیر در شار حرارتی بحرانی را نام برد. هر کدام از این ویژگی‌ها در جای خود برای سیستمهای حرارتی بسیار مطلوب می‌باشند و در کنار هم، نانوسیالات را بهترین کاندیدا برای تولید سرد کننده‌های مبتنی بر مایع می‌نمایند. این یافته‌ها همچنین وجود محدودیت‌های اساسی در مدلهای انتقال گرمایی متداول برای سوسپانسیونهای جامد/ مایع را به وضوح نشان می‌دهد.
از جمله عوامل انتقال حرارت در نانوسیالات، عبارتند از: حرکت نانوذرات، سطح مولکولی لایه‌ای مایع در سطح مشترک مایع با ذرات، انتقال حرارت پرتابه‌ای در نانوذرات و تأثیر خوشه‌ای شدن نانوذرات از جمله عوامل انتقال حرارت در نانوسیالات می‌باشند.
یک پروژه جدید با هدف کشف پارامترهای کلیدی، که در تئوریهای موجود و مفاهیم بنیادی مکانیزم‌های افزایش انتقال حرارت نانوسیالات از قلم افتاده‌اند، و نیز کشف مبنای تئوری برای افزایش غیر عادی هدایت گرمایی نانوسیالات در جولای سال ۲۰۰۰ با حمایت وزارت انرژی آمریکا و مرکز انرژی علوم پایه به تصویب رسید.
ساختار نانوذرات در نانوسیالات در حال بررسی و آزمایش بوسیله منبع فوتونی پیشرفته آزمایشگاه ملی آرگون میباشد. بر طبق نتایج گزارش شده از دانشگاه A&M تگزاس، این دانشگاه در حال مطالعه بر روی ارتباط بین جنبش نانوذرات و افزایش انتقال حرارت در آنها میباشد. با استفاده از نتایج جمع‌آوری شده، توسعه یک مدل جدید انتقال انرژی در نانوسیالات که وابسته به اندازه نانوذره، ساختار و تأثیر پویایی بر روی خصوصیات حرارتی نانوسیالات میباشد، امکان پذیر شده است.
این نحوه ارتباط رشته‌های مختلف علمی و پروژه‌های مشترک منجر به کشف مرزهای جدیدی در تحقیقات ترموفیزیک برای طراحی و مهندسی در زمینه تولید خنک‌کننده‌ها خواهد گردید. تحقیق در مورد نانوسیالات می‌تواند به یک پیشرفت غیر منتظره در زمینه سیستمهای ترکیبی مایع/جامد، برای کاربردهای بی‌شمار مهندسی از جمله خنک‌کننده‌های اتومبیل‌ها و کامیون‌های سنگین بیانجامد.
از عمده‌ترین تأثیرات این تحقیقات میتوان به بیشتر شدن کارایی انرژی، کوچکتر و سبک‌تر شدن سیستمهای حرارتی، کمتر شدن هزینه‌های عملیاتی و پاک‌سازی محیط زیست اشاره نمود.
نانوسیالات و کامیون های پیشرفته :
به علت نیاز به موتورهایی با نیروی بیشتر، تولید کنندگان کامیون دائماً در جستجوی راه‌هایی برای گسترش طرح‌های آیرودینامیک در وسایل نقلیه‌شان هستند. از جمله تلاش‌ها در این زمینه معطوف به کاهش مقدار انرژی مورد نیاز جهت مقابله با مقاومت‌های بالا میباشد. در یک کامیون سنگین معمولی، با سرعت ۱۱۰ کیلومتر در ساعت، در حدود ۶۵ درصد کل بازده موتور، صرف غلبه بر کشش‌های آیرودینامیک میشود که یکی از دلایل بزرگ این امر مقاومت هوا میباشد.
این سیالات قادرند بدون افزایش دمای خودشان حرارت را جذب و سپس آن را بسیار آهسته و بدون نیاز به مقدار سیال بیشتر به محیط اطراف منتقل نمایند که این انتقال آهستۀ گرما به محیط، موجب بزرگی اندازۀ رادیاتورهای وسایل نقلیه معمولی میشود.
در سیستمهای خنک کننده، با توجه به نوع سیال مورد استفاده رادیاتورهای متفاوتی مورد نیاز است. جهت انتقال حرارت از موتور به رادیاتور و در نهایت آزاد شدن این حرارت به محیط اطراف، به کارگیری سیالات با ظرفیت‌های گرمایی بالا ضروری میباشد.
اگر سرعت انتقال حرارت توسط سیالات به‌گونه‌ای افزایش یابد، طراحی رادیاتورها آسان و مؤثرتر شده و میتوان آنها را کوچکتر ساخت. همچنین اندازۀ پمپ‌‌های خنک کنندۀ وسایل نقلیه می‌تواند کاهش یابد. موتورهای کامیون‌ها نیز می‌توانند به علت کارکردن تحت دماهای بالاتر نیروی بیشتری تولید نمایند. افزایش هدایت گرمایی خنک‌کننده‌ها نیز می‌تواند ایده‌ای مناسب برای تولید پیل‌های سوختی پیشرفته و وسایل نقلیۀ دوگانه سوز/الکتریکی باشد.
محققان آزمایشگاه آرگون در حال پیدا کردن روشی برای افزایش زیاد هدایت گرمایی خنک کننده‌ها در موتورهای معمولی بدون بروز تأثیراتی مغایر با ظرفیت‌های گرمایی آنها هستند.
بخش انرژی آزمایشگاه آرگون به طور مشترک با کمپانی Valvo Line، در حال کار در زمینۀ توسعۀ خنک‌کننده‌های نانوسیالی و روغن‌های روان‌ساز برای موتورهای کامیون میباشد.
محققان آرگون هم‌اکنون از یک روش یک مرحله‌ای برای تولید نانوسیالات بر مبنای نانوذرات فلزی و یک روش دومرحله‌ای برای تولید نانوسیالات بر مبنای نانوذرات اکسیدی، استفاده می‌کنند که هر دو شیوه، روشهای نسبتاَ آسان و اقتصادی برای تولید نانوسیالات هستند.
هم‌اکنون محققان آرگون در حال بررسی تأثیر دوده در روغن موتور می‌باشند. میزان دوده در روغن موتور گاهی اوقات بیشتر از حد انتظار است. با وجود اینکه ذرات دوده به کوچکی ذرات نانومتری موجود در نانوسیالات نیستند، محققان دریافتند تجمع آنها در روغن موتور منجر به افزایش ۱۵ درصدی در هدایت گرمایی روغن موتور میشود.
بر اساس این یافته‌ها محققان حسگری تولید نمودند که با اندازه‌گیری میزان افزایش هدایت گرمایی ذرات دودۀ جمع شده در روغن موتور قادر به نشان‌دادن نحوۀ عملکرد موتور میباشد.
نانوسیالات فلزی و موتورهای خنک‌کننده
ویژگی‌های موتورهای دیزلی از نظر محدودیت در واکنش‌ها و راندمان کار به سرعت در حال دگرگون شدن است. سیستمهای خنک‌کننده باید بتوانند تحت دماهای بالاتر کار کرده و مقادیر بیشتری گرما به محیط اطراف منتقل کنند. اندازۀ رادیاتورها نیز باید کاهش یابد تا تجهیزات اضافی کامیون‌ها حذف شده و رفت‌و‌آمد با آنها ساده‌تر گردد. به‌طور واقع‌بینانه، محصور کردن نیروی خنک‌کنندۀ بیشتر در فضای کمتر، تنها با به کار بردن فناوری‌‌های جدیدی مانند نانوسیالات ممکن خواهد بود.
کاربرد دیگر این مدل‌سازی‌ها، پیش‌بینی میزان هدایت گرمایی یک نانوسیال بر مبنای غلظت، دمای عملیاتی و اندازۀ نانوذرات پخش شده در سیال میباشد. از این گذشته این امکان وجود دارد که خواص نانولایه‌هایی که روی سطح نانوذرات معلق تشکیل می‌شوند، عاملی برای افزایش بیشتر هدایت گرمایی نانوسیالات می باشد.
دو مکانیزم کلیدی حرکت براونی و نانولایه‌ها، توأماً از مهمترین عوامل افزایش هدایت گرمایی سیالات انتقال دهندۀ گرما می‌باشند.
محققان آزمایشگاه آرگون در حال بررسی خطرات احتمالی نانوسیالات برای سیستم های رادیاتور می‌باشند. آنها موفق به ساخت وسیله‌ای شدند که قادر به اندازه‌گیری و آزمایش تأثیرجریان‌های خنک کنندۀ متفاوت بر عملکرد یک رادیاتور میباشد.
تحقیقات آینده بیشتر بر روی جنس نانوذرات به کار‌‌رونده در ساخت نانوسیالات از جمله ذرات آلومینیوم و نانوذرات اکسید فلزی روکش شده متمرکز خواهد شد در اکثر کارخانجات کوچک و بزرگ یکی از مهمترین و اساسی ترین دستگاهها می توان انواع برجهای خنک کننده را نام برد. برجهای خنک کننده علاوه بر آب به منظور خنک کردن سیالاتی دیگر در صورت لزوم مورد استفاده واقع می شود. با توجه به اینکه برجهای خنک کننده معمولاً حجیم می باشند و بعلت پاشیدن آب در محیط اطراف خود و خرابی تجهیزات آن را معمولاً در انتهای فرایند نصب می کنند.
اگراز وسایل برجهای خنک کننده صرف نظر نشود برای ساخت برج تکنولوژی بالایی نیاز نیست همانطور که در ایران در حال حاضر ساخت این برجها در حد وسیعی صورت می گیرد .برجها با توجه به شرایط فیزیکی و شیمیایی خاص خود دچار مشکلاتی می شوند ولی معمولاٌ زمانی لازم است تا این مشکلات برج را از کار بیاندازد طولانی است.،ولی عملاٌ اجتناب ناپذیر است.
در این مجموعه تا سر حد امکان سعی شده است که دیدی نسبتاً کلی راجع به برج به خواننده منتقل شود و تا حد امکان از جزییات مربوط به برجهای خنک کننده توضیح لازم داده شده باشد.
برج خنک کننده
پیشگفتاری بر برج های خنک کننده
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 گردد.عمل خنک شدن در اثر از دست دادن گرمای نهان تبخیر انجام می گیرد، در حالی که مقدار کمی آب تبخیر می شود و باعث خنک شدن آب می گردد.باید توجه داشت آب مقداری از گرمای خود را به طریق تشعشع ،هدایتی وجابجایی و بقیه از راه تبخیر از دست می‌دهد.
بیشتر دستگاههای خنک کن از یک مدار بسته تشکیل شده اند که آب در این دستگاهها نقش جذب ، دفع و انتقال گرما را به عهده دارد، یعنی گرمای بوجود آمده توسط ماشین جذب و از دستگاه دور می سازد. این کار باعث ادامه کار یکنواخت و پایداری دستگاه می شود. در دستگاههایی که به دلایلی مجبوریم آب را بگردش در آوریم و یا به کار ببریم باید بنحوی گرمای آب را دفع کرد. با بکار بردن برجهای خنک کننده این کار انجام می گیرد. در تمام کارخانه ها تعداد زیادی دستگاههای تبدیل حرارتی (heat exchanger) وجود دارد که در بیشترآنها آب عامل سرد کنندگی است.
بدلایل زیر آب معمولترین سرد کننده هاست:
بمقدار زیاد وارزان در دسترس می باشد.
به آسانی آب را می توان مورد استفاده قرار داد .
قدرت سرد کنندگی آب نسبت به اکثر مایعات) در حجم مساوی )بیشتر است.
انقباض و انبساط آب با تغییر درجه حرارت جزیی است.
هر چند که آب برای انتقال گرما بسیار مناسب است با بکار بردن آن باعث بوجود آمدن مشکلاتی نیز می شود. آب با سختی زیاد باعث رسوب سازی در دستگاهها شده و همچنین از آنجایی که بیشتر این دستگاهها از آلیاژ آهن ساخته شده اند مشکل خوردگی بوجود می آید. از طرف دیگر بیشتر برجهای خنک کننده در بر خورد مستقیم با هوا و نور خورشید می باشند محیط مناسبی برای رشد باکتریها و میکرو ارگانیسم ها نیز می باشد که آنها نیز مشکلاتی همراه دارند.
وارد شدن گرد و خاک بداخل برج نیز در بعضی مواقع ایجاد اشکال می نماید.در کل این مشکلات باعث می شود که بازدهی دستگاه کم شده و در نتیجه از نظر اقتصادی مخارج زیادتری خواهند داشت. در این مجموعه طبیعت این مشکلات و شرایط بوجود آمدن آنها و راههای جلوگیری از آنها را بطور مختصر شرح خواهیم داد.موارد استفاده از برجهای خنک کننده را نیز در بخش های دیگری از این مجموعه را در بر می گیرد.
عموماً برجهای خنک کننده (cooling tower) را به سه گروه تقسیم می کنند :
۱. برجهای خنک کننده مرطوب
۲. برجهای خنک کننده مرطوب- خشک
۳. برجهای خنک کننده خشک
در برجهای خنک کننده مرطوب، آب نقش اصلی و اساسی را داشته و هدف نیز همان خنک کردن آب است. این نوع دستگاهها که خود به چند گروه و دسته تقسیم می شوند در صنعت دارای کاربرد فراوانی است. از یرجهای خنک کننده خشک بیشتر در مکانهای که آب کافی برای خنک کردن برج وجود ندارد استفاده می شود. عمل خنک کردن آب را نیز میتوان از برجهای سینی دار بصورت مرحله ای انجام داد.ولی عملاً بعلت وجود هزینه های زیاد ساخت ،نگهداری و کنترل سیستم این روش ، معمول نمی باشد.
برای انجام عملیات خنک سازی آب می توان از برجهای آکنده و سینی دار استفاده نمود.با وجود این در مواردی که فازهای مورد نظر آب و هوا با شند بعلت فراوانی و ارزان بودن فازهای فوق بدلایلی که در صفحه قبل ذکر شد از دستگاههای دیگری استفاده می گردد که ساختن و نگهداری آنها مستلزم هزینه های زیادی نمی باشد. از این جهت بیشتر دستگاههایی که در مقیاس صنعتی بکار می رود ساختمان و خصوصیات بسیار عمده ای را دارا است که اینک به انواع مختلف این دستگاهها اشاره می شود.
بررسی برجهای خنک کننده و اجزاء آن
برج خنک کننده : COOLING TOWER
برج خنک کن دستگاهی است که با ایجاد سطح وسیعی در تماس آب با هوا ، عمل تبخیر را آسان نموده و در نتیجه باعث خنک شدن سریع آب می گردد. عمل خنک شدن در اثر از دست دادن گرمای نهان تبخیر انجام می گیرد در حالی که مقدار کمی آب بخار می شود و سبب خنک شدن آب می گردد.باید توجه داشت که آب مقدار اندکی از گرمای خود را از طریق تشعشع (Radiation) ودر حدود ۴/۱آن را از راه هدایت (Conduction) و جابجائی (Convection) و بقیه را از راه تبخیر از دست می‌دهد. اختلاف فشار بخار آب بین سطح آب و هوا باعث تبخیر می شود.این اختلاف بستگی به دمای آب و میزان اشباع هوا از آب دارد.
مقدار گرمای که بوسیله مایعی جذب یا دفع می شود از رابطه زیر بدست می آید :
TDE=W×S×
در رابطه بالا:
E :گرمای دفع یا جذب شده بر حسب BTU/hr یا CAL/hr
W :دبی مایع خنک شونده بر حسب lb/hr
S : گرمای ویژه مایع خنک کننده بر حسب lb.f/ Btu
T :کاهش دمای مایعD خنک شونده بر حسب f
در حالیکه عمل خنک شدن از طریق تبخیر انجام می گیرد گر مای نهان تبخیر از دست داده شده باید به آن اضافه گردد و آن برابر است با حاصل ضرب گرمای نهان تبخیر در دبی . مقدار تبخیر بستگی دارد به سطح بر خورد آب با هوا و همچنین شدت جریان هوا دارد. برای اینکه حداکثر بهره برداری که در طرح آن بکار رفته است رعایت شود در برجهای خنک کننده که آکنده های آن از نوع splash packing می باشد آب به صورت قطره های در سطوح برج پخش می شود تا سطح وسیعی بوجود آید البته برای این منظور می توان از آکنه های نوع film packing نیز استفاده کرد. جریان هوا در برج به صورت کشش طبیعی با استفاده از دودکش های هذلولی شکل یا کشش مکانیکی بوسیله بادبزنهای مناسب در جهت مخالف آب ( counter-flow) و یا به طور متقاطع (cross-flow) با آن به جریان می افتد .
سیستم برج خنک کننده
در سیستم برج خنک کننده آب گرم کندانسور از برج خنک کننده عبور می کند و با هوا تماس می یابد. در برجهای خنک کننده با کشش طبیعی ،پوسته خارجی برج از بتن مسلح ساخته شده ودر روی پایه ها تکیه دارد . هوا از قسمت پائین وارد برج خنک کننده می شود و به طرف بالا جریان می یابد و از دهانه بالای برج خارج می گردد.
انواع دیگری از برجهای خنک کننده که از چوب و سایر مصالح ساخته می شود نیز وجود دارد.در برجهای خنک کننده با کشش طبیعی هوا شکل برج طوری طراحی می شود که جریان سریع هوا در داخل برج بوجود آید.
آب گرم از کندانسور در ارتفاع ۱۰ تا ۱۵ متر بالاتر از سطح استخر به سیستم پخش کننده آب وارد می شود . در برجهای قدیمی تر صفحه ای که آب خروجی از کندانسور به آن ریخته می شود دارای سوراخهای منظمی در قسمت پائین است که آب از داخل این سوراخها به فنجانهای زیرین می ریزد. این فنجانها باعث پاشش آب و تبدیل آنها به قطرات کوچک می شوند. یک سیستم خیلی جدید برای پخش آب در برج خنک کننده بکار بردن لوله هایی است که در سطح بالای آن شیپوره هایی برای پاشش آب تعبیه شده است.
تبادل حرارت بین هوای بالارونده از برج و آبی که از برج سرازیر است با تغییر حرارت محسوس در اثر اختلاف درجه حرارت بین آب و هوا انجام می شود. سهم این قسمت از تبادل حرارتی خیلی کم است و قسمت عمده تبادل در اثر تبخیر مقدار کمی آب که پیوسته همراه هوا می باشد،انجام می شود. در اثر این عمل مقدار زیادی گرما از آب سرازیر شده در برج خنک کننده ( بستگی به مقدار آبی که تبخیر شده است) به هوا منتقل می گردد(Evaporating loss). ضمناً مقداری از قطرات آب بوسیله هوا بخارج از برج پراکنده می شود(Windage loss). برای جلوگیری از خروج قطرات آب یک شبکه چوب در اطراف برج و حدود ۳ متر بالاتر از توده تخته ها قرار دارد . کمبود آب تبخیر شده در سیستم برج خنک کننده باید از منبع خارجی جبران شود که به آن ،آب تکمیلی یا آب جبرانی (Makeup) گویند . برای این منظور در صورت امکان از آب رودخانه استفاده کرد یا فاضلابها را تا حد امکان صاف و تصفیه کرده و استفاده نمود . هنگامیکه از نظر فضای ساختمان برج خنک کننده محدودیتی وجود داشته باشد ظرفیت برج خنک کننده راتا حد امکان با استفاده از بادبزنهای مخصوص و بزرگی اضافه می نمایند. این بادبزنها مقدار عبورهوای خنک کننده در داخل برج را زیاد می نماید
عوامل مؤثر در طراحی برجهای خنک کننده
عوامل مؤثر در طراحی برجهای خنک کننده را بطور خلاصه می توان بصورت زیر بیان کرد :
۱. میزان افت درجه حرارت (اختلاف دمای ورودی وخروجی برج)
۲. اختلاف بین درجه حرارت آب سرد و درجه حرارت مرطوب هوا
۳. دمای مرطوب محیط : اصولاً خنک کردن آب زیر این دما غیر ممکن است
۴. شدت جریان آب
۵. شدت جریان هوا
۶. نوع آکنه های برج
۷. روش پخش آب
به تجربه ثابت شده است که برای هر ۱۰ درجه فارنهایت افت دما در برج خنک کننده میزان تبخیر در حدود یک درصد کل آب در حال گردش می باشد چون نمک های کلرور حلالیت زیادی دارند غلظت یون کلر در آب ورودی به برج وآب در حال گردش راهنمای بسیار خوبی برای تعیین غلظت بوده و بنابراین همیشه باید آنرا بازدید و بررسی نمود افزایش غلظت مواد محلول و مواد معلق در آب در حال گردش در برج خنک کننده ایجاد اشکال می نماید که برای جلوگیری از افزایش غلظت مواد محلول و مواد معلق مقداری از آب در حال گردش را تخلیه می کنند که این آب در صنعت به زیر آب (Blow down) معروف است . مقدار آب برج همچنین ممکن است تصادفی یا بوسیله باد تقلیل یابد . اصولاً در برجهای خنک کننده مقداری آب بصورت گرد درآمده و توسط باد یا کشش از برج خارج می شود .
مقدار تخلیه لازم در یرج برای کنترل مواد محلول و معلق مجاز را می توان از رابطه زیر بدست آورد
M=(B+W)*C
که در رابطه فوق
B : مقدار زیر آب بر حسب gal/hr یا m3/hr
E : مقدار آب تبخیر شده بر حسب gal/hr یا m3/hr
C : ضریب غلطت پیشنهاد شده برای برج
W : مقدار آبی که توسط باد خارج می شود بر حسب gal/hr یا m3/hr
مقدار آبی که باد همراه خود از برج خارج می سازد در رابطه بالا منفی است ،زیرا آب مواد محلول و معلق را نیز با خود می برد . بنابراین تاثیر در غلظت و بالا بردن املاح آب ندارد .
مقدار آب لازم جهت آب کسری برج از رابطه زیر بدست آورد :
MAKE UP = E +B +W
اطلاعاتی که از طرف خریداران در اختیار فروشندگان قرار می گیرد در طرح برج اهمیت فراوانی دارد . مانند اختلاف دما ، مقدار آب در حال گردش ،مقدار زیر آب کمبود آب در اثر تبخیر و باد را با استفاده از رابطه های بالا بررسی می کنند .
انواع سیستمهای خنک کننده
الف: سیستم های خنک کننده تر: WET COOLING SYSTEM
۱-سیستم خنک کننده باز
۲-سیستم خنک کننده بسته
۳-سیستم خنک کننده ترکیبی
ب: سیستم های خنک کننده خشک : DRY COOLING SYSTEM
۱-سیستم خنک کننده خشک مستقیم
۲-سیستم خنک کننده خشک غیر مستقیم
۳-سیستم خنک کننده ترکیبی
سیستم خنک کننده باز ONCE THROUGH SYSTEM
در محیطی که آب فراوان است محل های نزدیک دریا یا رودخانه آب را به وسیله پمپ از یک طرف وارد سیستم های مبدل حرارتی (HEAT EXHCANGERS) نموده و از طرف دیگر خارج می گردد. آب درمحل عبور خود با جسم داغ تبادل گرما کرده و دوباره وارد رودخانه یا دریا می گردد.
بنابراین آب گرفته شده از دریا مجددا به دریا باز می گردد و عمل تبخیر بر روی آن صورت نمی گیرد یعنی آب دارای مواد حل شده و معلق ثابتی است لذا ایجاد رسوب بر روی لوله های کندانسور نمی نماید اما به دلیل داشتن مواد معلق زیاد باعث خوردگی از نوع سائیدگی (ERROSION CORROSION) می گردد برای جلوگیری از سائیدگی درون لوله باید در داخل لوله های خنک کننده با ایجاد محافظ که با تزریق سولفات آهن FESO4 محقق می گردد اقدام نموده و سپس توسط گلوله های اسفنجی که به وسیله پمپ در داخل لوله ها ارسال می شود قطر مورد دلخواه استاندارد را در آن ایجاد و زیادی آن را کنده و از محیط خارج کرد.
در مناطق کم آب ، آبی که به عنوان واسطه حرارتی در سیستم ها عمل می کند حرارت را جذب کرده ، دور ریخته نمی شود ، بلکه مجدااز آن استفاده می نمایند. بنابراین آب را وارد سیستمی به نام برج های خنک کننده (COOLING TOWER) کرده و پس از سرد شدن مجدا وارد مبدل های حرارتی می نمایند.
سیستم خنک کننده ترکیبی بازو بسته (COMBINTION COOLING SYSTEM)
این سیستم بیشتر درمحیط هایی که در فصل تابستان سطح آب رودخانه پایین آمده و برج با کمبود تغذیه مواجه می شود استفاده می شود .
انواع سیستم های خنک کننده تر:
الف) استخرهای خنک کن
استخرهای خنک کن ساده ترین سیستم های خنک کننده با ابعاد زیاد بوده که آب گرم توسط لوله ای وارد آن شده و در اثر تماس با هوای محیط حرارت خود را از دست داده و آب خنک کننده از بالاترین قسمت استخر به سیستم مبدل حرارتی برگشت داده می شود با این عمل زمان ماندن آب در استخر زیاد شده ، در نتیجه آب زمان بیشتری را در معرض هوا قرار می گیرد و لذا تبادل حرارتی بهتر صورت می گیرد و همچنین ممکن است آب گرم به صورت آب پاش و قطره قطره وارد استخر گردد. با این عمل سطح برخورد آب گرم با هوای محیط درزمان ریزش زیاد شده و قسمتی از آب در اثر برخورد با هوا تبخیر شده و در اثر این عمل بقیه آب در حال ریزش خنک می گردد و در نتیجه راندمان آن از استخر اولیه بهتر است. در چنین سیستم هایی بایستی در طراحی حصارهایی جهت جلوگیری از انتقال آب به وسیله باد در نظر گرفته شود ، در بعضی از سیستم های قدیمی که حصار در طراحی بکار گرفته نشده است ، صدمات زیادی به سیستم هایی که در جوار استخر قرار گرفته اند وارد کرده است. تجربه ثابت کرده است که وقتی رطوبت هوای ساکن دریک نقطه افزایش یابد آب کمتر تبخیر شده و در نتیجه آب گرمی که از سیستم مبدل حرارتی جهت خنک شدن وارد محیطی که دارای هوای مرطوب است گردیده و دیرتر خنک می شود ،نتیجه انکه اگر هوا از طریقی به حرکت درآورد تا هوای خشک جانشین هوای مرطوب شود، راندمان سیستم خنک کننده به مراتب افزایش می یابد.
ب) برجهای با کوران طبیعی
هوا به طور افقی یا به طرف بالا متناسب با جهت ریزش آب جریان یافته و حرارت را از آب می گیرد . در این سیستم وقتی که آب گرم وارد برج می گردد ، محیط داخل برج گرم شده در نتیجه حجم هوای داخل آن افزایش می یابد و رقیق می گردد که در این صورت هوای محیط بیرونی برج با فشار حدود یک اتمسفر موجب جریان خود به خودی در اثر اختلاف فشار هوای داخل برج و هوای بیرون برج می گردد . یک نوع از برج فاقد (PACKING) بوده و فقط تعداد زیادی سوراخ های پخش کن آب تعبیه شده است . نوع دیگر آن دارای بند و بست های چوبی یا پلاستیکی بوده که راندمان بهتری را به وجود می آورند .در ضمن این برجها خیلی بلند و باریک بوده و پمپ هایی با فشار زیاد جهت پمپاژ آب در بالای برج مورد استفاده قرار می گیرد . افت دمای آب بستگی به سرعت وجهت جرکت باد دارد . لذا برج ها باید در محلی احداث گردند که مانعی در جهت وزش باد وجود نداشته باشد . برجهایی با کشش طبیعی هذلولی یا تنوره ای موجود است که جریان هوا در جهت عکس جریان آب به طرف شبکه های چوبی در برج حرکت کرده و باعث خنک شدن آب می گردد، این برج ها در آب و هوای خشک وگرم مورد استفاده قرار نمی گیرند، زیرا درجه حرارت آب ورودی به برج باید از درجه هوای محیط بیشتر باشد.
ج) برج ها با کوران القائی:
در این نوع برجها هوا توسط بادبزنی که در برج قرار گرفته برقرار می شود . در برج ها با کشش مکانیکی پمپ ها با فشار کم مورد نیاز است و برای احداث آن تشخیص جهت باد اجباری نیست.
انواع برجها با کشش مکانیکی
۱) برج های دمنده : (FORCE DRAFT COOLING TOWER)
در این نوع برجهای خنک کننده بادبزن های مکانیکی (فن ها) جریان هوا را در برج برقرار می کنند محل آن ها در قسمت ورودی هوا و در سطح زمین بر روی بتن استقرار یافته اند لذا لرزش آنها به حداقل می رسد.این فن ها هوا را به درون برج و سرتاسر بند و بست ها هدایت می کنند ولی هوا به طور یکنواخت در آن پخش نمی گردد و اطراف برج های خنک کننده دمنده کاملا بسته است.
مزایای برج های خنک کننده دمنده :
۱-تعمیر فن های آن راحت تر است.
۲-فن ها در مجاورت هوای گرم قرار نمی گیرند.
۳-سهولت و کم خرج بودن نصب آن .
۲) برج های مکنده : (INDUCEDDRAFT COOLING TOWER)
در این نوع برجها بادبزن ها در محل خروجی هوا از برج قرار گرفته اند و محل آن ها معمولا در بالای برج ها در بعضی مواقع در طرفین برج می باشد و هوا به طور یکنواخت در داخل برج پخش می شود .
مزایای برج های مکنده :
۱-لوله ها کمتر در معرض باران و برف و تگرگ قرار دارند.
۲-امکان مکیدن هوای گرم خروجی به داخل کمتر است.
۳-درجه حرارت سیال خروجی از تیوپ ها نزدیکتر به درجه حرارت هوای ورودی میشود.
ب:سیستم های خنک کننده خشک :(DRY COOLING SYSTEM)
امروزه ساخت این برج ها به سه دلیل رواج پیدا کرده است :
۱-چون در این برج ها آب تبخیر نمی شود و نیاز به اب افزایشی ندارد، در محل هایی که آب کافی ندارند به کار می رود .
۲-به دلیل آنکه برج دارای محیط بسته است موجب آلودگی محیط زیست نمی گردد.
۳-در محیط هایی سرد به کار بردن برج تر مشکلات عدیده ای را سبب می شود که ترجیحا از برج خشک استفاده می شود .
مواد به کار رفته در ساختمان برج ها :
الف) چوب: چوب هایی که در برج ها به کار برده می شوند شامل: (RED WOOD) نوعی چوب اروپایی می باشد که از درخت ماموت به دست می آید و نوع دیگر چوب قرمز مایل به زردی است که از درخت همیشه بهار که در غرب آمریکا می روید تهیه می شود و به DOUGLAS معروف است البته امزوزه از انواع چوب هایی که در جنگلهای هند نیز می روید می توان استفاده کرد. چوب ها به صورت الوار مورد مصرف می باشد و در ساختمان چوب موادی مانند سلولز، همی سلولز، لیکنین و مواد استخراجی نظیر اسید چرب ، قطران، اسید استیک، وکربنات وجود دارد و با توجه به اینکه این چوب ها درمحیط آبی کار می کنند، جهت حفاظت آنهادر مقابل ورم کردن، حمله میکرو ارگانیزم ها و غیره بایستی آنها را توسط بعضی از مواد شیمیایی اشباع نمود . مثلا بعضی از چوب ها را در داخل مایعاتی نظیر کرومات های سدیم یا پتاسیم غرق کرده و ان را در داخل تانک های تحت فشار ۱۰-۷ اتمسفر قرار داده و این مواد به داخل مغز چوب نفوذ کرده و یک لایه نیز سطح خارجی آن را می پوشاند ولی چوب های برج های خنک کن را بیشتر توسط کروزوت و مازوت اشباع می نمایند و هر چه مقدار ماده کروزوت بیشتر باشد عمل اشباع مرغوبتر است . برج هایی که از چوب ساخته شده اند نگهداری بدنه آنها در زمان توقف به خصوص در فصل تابستان حائز اهمیت می باشد زیرا گرمای زیادی باعث ترک خوردگی چوبها می شود بنابراین آب پاشی قسمت چوبی برج ضروری است.
البته در طراحی برای بعضی از برج ها پمپی جهت پاشش آب در نظر گرفته می شود که در زمان توقف برج وارد سرویس شده و آب را به بدنه برج تزریق می کند. اگر پاشش اب در هوای گرم صورت نگیرد با توجه به اینکه چوب های آغشته به کروزوت و مازوت (که هر دو از جنس روغن) هستند و تنوره برج که در بالاترین ارتفاع برج قرار گرفته که فن در آن نصب گردیده نقش دودکش را بازی می کند. کوچکترین جرقه آتش می تواند برج عظیمی را در مدت ۱۵-۱۰ دقیقه به آتش کشیده و جز ستون های بتونی و آهنی چیزی در برج باقی نگذارد، لازم به تذکر است که وقتی باکتری های بی هوازی در لجن های حوضچه ته برج رشد می کنند مواد الی را به گاز متان ، آب و انرژی تجزیه می کنند.
گازمتان متصاعد شده همراه با انزژی حرارتی حاصل شده در شرایط گرمای تابستان خود به خود باعث شعله ور شدن برج خنک کننده می گردد که افراد نا آگاه ممکن است آتش سوزی را عمدی تلقی کنند در حالی که عامل اصلی میکروارگانیزم ها هستند.
علت اینکه در برج های خنک کننده چوبی PH آب برج را بایستی بین ۸-۷.۵ تنظیم کرد این است که در PH بالای ۸ ماده (LIGNIN SULPHONATE) حاصل شده و از ساختمان چوب جدا می گردد و چون این ماده رشته های سلولز چوب را به هم محکم کند با حل شدن آن مقاومت چوب از بین رفته و چوب پوسته پوسته شده و از ساختمان برج جدا می گردد.
علت به کار بردن چوب در برج ها را می توان به شکل پذیری، عایق بودن ،ارزانی ، دردسترس بودن وتر شدن آن ربط داد.
ب) آلومینیم: آلومینیم آندی شده در برج های خنک کننده مورد استفاده قرار می گیرد . آلومینیم میل ترکیبی شدیدی با اکسیژن داشته و تولید اکسید آلومینیم می نماید که در شرایط ۱ اتمسفر بسیار مقاوم است.
زیرا اکسید آلومینیم دارای خلل و فرج بسیار ریز بوده و از نفوذ اکسیژن کاملا ممانعت به عمل می آورد . به همین دلیل میزان خوردگی آلومینیوم به مرور زمان به شدت کاهش می یابد.
از آنجا که آلومینیوم یک فلز آمفوتر است در PH=4 خورده شده ، در PH=6 خوردگی آن کاهش می یابد و مجدد در PH=9 خوردگی دوباره شدت پیدا می کند. بنابراین برجهایی که از آلومینیوم تهیه شده اند باید PH=6.5-7.5 و آب آنها بدون یون باشد و تزریق اکسیژن جهت فیلم AL2O3 مورد استفاده قرار گیرد.
عمده ترین خوردگی که در آلومینیوم حاصل می شود خوردگی حفره ای (PITTING) می باشد به طوری که اگر آلومینیوم در محلولی که حاوی بیش از ۱۵۰PPM کلرو قرار بگیرد به راحتی دچار خوردگی حفره ای می گردد. همچنین آلومینیوم در محلول حاوی یون های مس، به راحتی مورد هجوم خوردگی حفره ای واقع می شود . آلومینیوم در تماس با مس، برنج، برنز، در الکترولیت های مناسب نیز خورده می شود.
پ) فولاد نرم گالوانیزه : جنس این فلزها از استیل بوده و دارای پوششی از روی است . روی تحت اثر عوامل محیطی اکسید شده و فیلم نرم و چسبنده ای که در آب های یک اتمسفر غیر قابل حل می باشد بر روی آن ایجاد می شود روی دارای انرژی پتانسیل بیشتری از فولاد است و لذا باعث محافظت کاتدیک می گردد. معمولا عمر فین تیوب هایی که در برج به کار برده می شود به عوامل زیر بستگی دارد .
۱-ضخامت لایه روی
۲-ترکیبات هوای محیط صنعتی
۳-زمان
در مدار آب و بخار برج های فولادی اگر از تشکیل یون ++Fe جلوگیری یا به حداقل برسد از به وجود آمدن یون های +++Fee جلوگیری می شود. برج هایی که آب تغذیه آنها بیش از ۱۵۰PPM کلرو داشته باشد برای مصرف فولاد مناسب نبوده و دچار خوردگی می گردد. فولاد نرم جهت لوله های آب و یا فن های برج مورد استفاده قرار می گیرند . و دچار خوردگی می شوند.
ت) پلاستیک : در ساختمان برخی از برج ها به خصوص بند و بست های برج از انواع مختلف پلاستیک استفاده می شود نظیر برج های خنک کننده HAMON که فقط دارای شبکه های پلاستیکی است و قسمت بالای آن از یک ردیف ایرانیت های بازیابی آب توسط هوا ساخته شده است . برج های خنک کننده ایستگاه های تقویت گاز بیشتر از این نمونه هستند.
ساختمان برج های خنک کننده
برج های خنک کننده از قسمت های زیر تشکیل شده اند :
۱-حوضچه های بتنی (BASIN) : حوضچه که در کف برج قرار گرفته و آب پس از خنک شدن در آن جمع شده و کسری آب برج (MAKE UP) نیز در آن تزریق می گردد .در بعضی از سیستم ها مواد ممانعت کننده (INHIBITOR) هم در این ناحیه به برج اضافه می شود . در بعضی از برج ها شیر تخلیه در کف حوضچه قرار گرفته و به صورت سیفونه مواد معلق ومواد محلول را از برج به بیرون حوضچه تخلیه می کند. حوضچه برج بهترین جا جهت ایجاد میکروارگانیزم های هوازی و بی هوازی ولجن به شمار می رود و وقتی که برج مدتی از مدار خارج شده باشد بوی تعفن از آن به مشام خواهد رسید . در حوضچه های خیلی عمیق نظیر حوضچه های برج های خنک کننده نیروگاه پس از متوقف نمودن واحد جهت تعمیر سریعا با یک پمپ لجن کش مبادرت به خروج لجن های کف برج نموده و پمپ های گردش C.W.P CIRCULATING WATER PUM آب خنک شده برج را وارد مبدل های حرارتی می کنند چون این پمپ ها تولید جریان متلاطم می کنند بعد از این پمپ ها محل تزریق مواد شیمیایی به آب برج می باشد به همین دلیل (TURBELANCE) بهترین جا جهت کم کردن مواد معلق و C.D.S نیز بعد از این پمپ ها می باشد.
در بعضی از برج ها خنک کننده شیر تخلیه را از آب خروجی مبدل های حرارتی می گیرند تا رسوب و موادمعلق حاصل وارد برج نگردد. این طرح چندان مناسب به نظر نمی رسد زیرا بلودان بایستی از آب قبل از ورود به مبدل گرفته شده تادر اثر درجه حرارت رسوب در آن ایجاد نشود .
۲-لوله ها : آب سرد حوضچه برج را به وسیله C.W.P ها به مبدل های حرارتی و آب گرم شده را از مبدل های حرارتی به توزیع کننده آب در برج انتقال می دهند.
۳-توزیع کننده : آب برگشتی از مبدلهای حرارتی از بالا وارد برج گشته از آنجا به چند شاخه تقسیم و به وسیله باز نمودن ولو مربوطه به توزیع کننده آب وارد حوضچه فوقانی برج می گردد.
۴-حوضچه های فوقانی : برج که معمولا از تخته های الوار ساخته شده و دارای سوراخ های بی شماری بوده که در درون آن پلاستیک های پروانه ای شکل تعبیه شده است تا پخش آب روی بند و بست ها ی داخل برج به نحو مطلوب انجام شود این حوضچه به علت قرار گرفتن در معرض هوا نقش یک استخر خنک کننده را ایفا می کند.
راههای مختلف جهت پخش آب بر روی بندوبست های درون برج وجود دارد که شامل موارد زیر میشود
الف:استفاده از سرپوش ها که آب را در جهت مختلف از بالا به پایین یا بالعکس در روی بند و بست های برج پخش می کنند.
ب:استفاده از لوله های سوراخ دار.
پ:استفاده از تانکهای سوراخ دار پخش کن آب .
۵-ستون های برج (COLUMN) : ستون ها آهنی یا بتونی بوده باعث محکم نگاه داشتن بندو بست های برج و ساختار برج می گردند. تسمه ها نیز در ساختمان برج به کار گرفته می شود که ستون های آهنی و غیره را مستحکم می نمایند.
۶-بادگیرها (LOUVER) : بادگیرها از تخته یا ایرانیت یا غیره بوده که به صورت مورب در قسمت های خارجی برج قرار گرفته واز این طریق است که نسبت آب به هوا که بایستی بین ۵/۱-۷۵/۰ باشد برقرار می گردد. به عبارت دیگر نفوذ هوا به داخل برج توسط بادگیرها انجام پذیر بوده که با تنظیم زاویه آن ها می توان نفوذ هوا در داخل برج را کنترل نمود.
۷-تخته های بازیابی آب (DRIFT ELIMINATOR) : بازیاب آب از تخته یا ایرانیت یا آزبست یا غیره است که جلوی فرار آب توسط هوا را گرفته و مانع خارج شدن آب از برج می گردد. هر گاه ریزش قطعات آب در برج خنک کننده پدید آید نشانگر خرابی بازیاب یا تغییر زاویه آنها می باشد. در بعضی از برجهای مکنده ودر تمام برجهای دمنده تخته های بازیابی آب در بالای برج قرار گرفته است ولی در برج های مکنده بزرگ به ازاء هر ردیف از تخته های پخش کننده یک ردیف تخته بازیابی قرار گرفته است .
۸-تخته های پخش کننده آب :
الف: SPLASH PACKING و SPLASH BAR که آب را به صورت قطره درآورده و از سرعت سقوط آب جلوگیری می کنند یعنی زمان برخورد آب با هوا زیاد شده و در نتیجه آب بهتر خنک می شود و به عبارت دیگر هر چه سرعت سقوط آب کمتر شود برخورد آب با هوای ورودی بیشتر می شود.
ب:FILM PACKING: سطح وسیعی ازآب را روی تیغه ها به وجود می آورند به شرح زیر :
۱-GRID PACKING سری هایی از شبکه های چوبی که بوده توزیع آب را بر عهده دارند .
۲-RANDOM PACKING تخته های نامنظمی هستند که با ایجاد مقاومت در مقابل جریان هوا آب را خنک می کنند.
۳-PLATE TYPE FILM PACKING از صفحات پلاستیکی چین دار تشکیل شده اند با زاویه کمتر از ۹۰ درجه ، کمتر از سطح افق در داخل برج قرار گرفته اند و چین هایی روی این صفحات پلاستیکی در برج های HAMUN زیاد مورد استفاده قرار می گیرند و در برخی از برج های HAMUN تیغه های بازیابی آ ب را نیز از جنس پلاستیک تهیه نموده اند .
عوامل موثر در خنک کردن برجهای خنک کننده به شرح زیر است
۱-سطح تماس آب و هوا
راندمان برج ها را با تبدیل هر چه بیشتر آب به قطرات ریز آب و سطح تماس بیشتر آب با هوا افزایش می دهند.
۲-سرعت آب
اگر سرعت آب را بتوان کاهش داد تا با هوای بیشتری در تماس قرار گیرد، راندمان خنک کننده افزایش پیدا می کند . این عمل توسط تخته های پخش کننده آب عملی می شود نقش مجموعه این تخته ها اعم از SPLASH BARیا FILM PACKING و غیره در برج های خنک کننده جلوگیری از سرعت ریزش آب است.
در چنین شرایطی آب با هوا تماس بیشتری داشته و در نتیجه تبادل حرارتی آن بیشتر می شود و بر این اساس در طراحی ها در محیطی که درجه حرارت آب خروجی از برج و درجه حرارت هوای ورودی به برج نزدیک باشد ارتفاع برج را بلندتر اختیار کرده تا از سرعت سقوط آب کاسته شود تا آب در نتیجه تماس با هوا خنک گردد. در چنین وضعیت قیمتهای برج ها حدود ۷۰۰-۶۰ درصد بیشتر از برج هایی است که در محیطی قرارگرفته اند که اختلاف درجه حرارت آبی خروجی از برج ودرجه حرارت هوای ورودی به برج زیاد می باشد.
۳-سرعت جریان هوا
اگر سرعت دمیدن هوا در داخل برج زیاد باشد مقداری از آب را همراه خود برده و اگر سرعت کم باشد آب را به خوبی خنک نمی کند. معمولا نسبت L/G یعنی نسبت آب به هوا را در برجهای خنک کننده حدود ۵/۱ –۷۵/۰ پاوند در ساعت در نظر می گیرند.
تنظیم سرعت هوا در داخل برج به وسیله بادگیرها (LOUVERS) که می توان زاویه آنها را کم یا زیاد نموده و همچنین توسط تغییر زاویه پره های فن دمنده یا مکنده هوا انجام می گیرد.
۴-اختلاف درجه حرارت آب خروجی و هوای ورودی .
۵-رطوبت هوا هر چه بیشتر باشد راندمان خنک شدن برج پایین می آید .
۶-روش پخش آب
نقش شیمیست در قسمت آب :
آب مورد استفاده برای سیستم های خنک کننده از جمله نیازهای عمده بسیاری از صنایع است و لذا تصفیه و تهیه آب مطابق استاندارد برای هر واحدی از جمله نیازها در صنایع می باشد. با همه تدابیر به کار گرفته شده در تصفیه آب ها و به دست آوردن آب مورد نیاز در صورت عدم کنترل پیامدهایی از قبیل چهار مورد ذکر شده زیر را دنبال دارد .
۱-خوردگی (CORROSION) و فرسایش.
۲-تشکیل رسوب (SCALE)
۳-مشکلات ناشی از تشکیل میکروارگانیزم ها.
۴-تجمع لجن ها (FOULING)
برای جلوگیری از این پیامدها و مشکلات به خصوص خوردگی و رسوب دهی باید تا حد ممکن از سختی آب مورد استفاده در برجهای خنک کننده و سایر قسمت ها کاسته شود .
سختی آب و انواع آن:
آبی که شامل املاح کلسیم و منیزیم و آهن باشد راآب سخت می گویند.
انواع سختی :
الف)سختی موقت که شامل سختی بی کربنات می باشد که در اثر درجه حرارت از آب جدا شده و به صورت رسوب بر روی جداره می نشیند.
ب)سختی دائم که شامل کلرور و سولفات های کلسیم ومنیزیم می باشد که در اثر درجه حرارت از بین رفته اما در دیگ های بخار که آب در آنها بخار شده و یون های کلسیم و منیزیم با آنیون های فوق به حالت اشباع می رسند وتولید رسوب سر نیزه ای CaSo4 می کنند که در صورت گرم شدن بیش از حد فلز رسوبات مذکور داخل شبکه های فلزی شده و باعث از بین بردن آن می گردد.
ج)سختی کلسیم CAH , CAL CIUM HARD NESS که مربوط به سختی کلسیم موجودر در آب است .
د)سختی TH , TOTAL HARDNESS به مجموع سختی کلسیم و منیزیم گفته میشود.
رشد میکروارگانیسم ها در سیستم برج های خنک کننده :
۱)آب برج دارای حرارت مطلوب جهت رشد میکروارگانیسم ها وموجودات آبزی است. یعنی در حد درجه حرارت مزوفیلیک و مناسب ترین درجه حرارت برای رشد این موجودات می باشد.
۲)برجهای خنک کن در مقابل نور خورشید ، هوا و آب قرار گرفته است ، که این عوامل را مثلث تکثیر می گویند.
۳)مواد فسفاته تزریق شده در برج و نیز مواد معدنی و آلی دیگر نیز دارای غذای مناسبی برای موجودات در آب برج است . جنس محیط کاملا جهت رشد و نمو آنها آماده است . به خصوص در فصل تابستان رشد میکروارگانیسم ها و جلبک ها مشکلات فوق العاده زیادی را موجب می گردد به طوری که جلبک ها در بستر فوقانی برجهایی که بیشتر در معرض نور خورشید قرار دارند از آنچنان رشدی برخوردار هستند که آن قسمت را به شکل سبز رنگ در می آورند.
خسارتهای حاصل از جلبک ها در برج خنک کننده :
۱-باعث مسدود شدن سوراخ های آب پخش کن بستر فوقانی برج شده و مانع ریزش آب به صورت اسپری روی بند و بست های چوبی می شود و راندمان برج را از نظر خنک کردن آب کم می کند.
۲-جلبک ها قادرند به دیواره چوب ها چسبنده و شیارهای آن را مسدود کنند که در اثر آن مسیر آب و مسیر هوا در برج تغییر می کند.
۳-جلبک ها به وسیله آب کند شده ، وارد مسیر می گردند و گرفتگی صافی ها و توری های بستر تحتانی برج را سبب شده و کار آبدهی را مختل می نمایند.
۴-جلبک ها قادرند وارد لوله های مبدل ها حرارتی شده و با مواد معلق محصولات ، خوردگی لایه ای در داخل لوله ایجاد می نمایند که تبادل حرارتی را کم کرده و در نتیجه راندمان سیستم HATE EXCHANGER را کاهش می دهد و اگر این سیستم کندانسور باشد افت خلاء را سبب می شود.
۵-مقدار بیش از حد جلبک ها می تواند بر پره C.W.P (پمپ های گردشی ) چسبیده و باعث افزایش آمپر مورد نیاز پمپ می شود .
۶-جلبک های مرده ممکن است درداخل مبدل های حرارتی جمع شده و منبع تغذیه سایر میکروارگانیزم ها را فراهم کنند و ازاین گذشته با رسوبات ومحصولات خوردگی توام شده و سطح داخلی لوازم را بپوشاند و لذا باعث اختلاف در میزان اکسیژن درآن قمست شده و تشکیل پیل غلظتی در آن ناحیه را می دهد در نتیجه خوردگی حفره ای را موجب می شود.
۷-جلبک ها با عمل فتوسنتزی که انجام می دهند می توانند باعث خوردگی در سیستم گردند .
نگهداری برج های خنک کننده :
اگر در برج ، آبی که دارای بیوکربنات کلسیم و منیزیم باشد استفاده کنیم در اثر درجه حرارت به کربنات کلسیم و ئیدورکسید منیزیم غیر محلول تبدیل می شود . برای جلوگیری از ایجاد رسوب در جداره لوله های مبدل های حرارتی به آب برج خنک کن اسید سولفوریک تزریق می شود .
علت تزریق اسید این است که اگر بیکربنات های کلسیم و منیزیم در آب وجود داشته باشد آن را به سولفات کلیسم و منیزیم تبدیل می کنند که در آب برج محلول بوده و در اثر حرارت ایجاد رسوب نمی کند. بدین سان عمل پیشگیری انجام می شود ، یعنی قبل از اینکه بی کربنات ها وارد سیستم مبدل های حرارتی شده و رسوب ایجاد نمایند توسط اسید از مدار خارج می شوند و به صورت سولفات های منیزیم و کلسیم محلول در آب برج در می آیند . فرضا اگر بر اثر واکنش های انجام شده در برج رسوب در جداره داخلی لوله های مبدل های حرارتی به وجود آمده باشد اسید قدرت انحلال رسوب از سطح داخلی لوله ها را دارد. گاز Co2 حاصل از واکنش اسید ها در برج خنک کننده به وسیله هوا دهی از آن خارج می شود. فشار جزئی هوایی که از قسمت پایین در خلاف جهت ریزش آب ،با آب برخوردمی کند بیشتر از فشار جزئی گاز حل شده در آب برج بوده و کلیه گازهای محلول در آب را جدا و آزاد می کند پس اسید سولفوریک نقش درمان کننده را بر عهده دارد .
انتقال حرارت در سیستم های خنک کننده توسط نانو سیالها
نانو سیال
در این مقاله سعی شده است از ابتدا , نقش نانو سیالها در صنعت و نقش آن در انتقال حرارت مورد بررسی قرار گیرد و در ادامه نگاهی خواهیم داشت بر کاربرد این تکنولوژی در صنعت خودروسازی . همچنین در بخش پایانی این مقاله به برج های خنک کننده , شناخت و نحوه طراحی آنها خواهیم پرداخت . لازم به ذکر است از آنجا که اغلب cooling tower ها در کشور ما به صورت آبی هستند و کاربرد نانو سیالات در cooling tower هنوز در دست مطالعه است و تمامی منابع در این زمینه فاقد سندیت قطعی و در حد و حدود فرضیه هستند , در این مقاله صرفا برج های خنک کننده آبی و نحوه طراحی آنها بررسی شده است . زیرا تنها صنعتی که در حال حاضر در آن از مبدل های حرارتی نانو استفاده شده است و تمامی تحقیقات و نظریات آن به اثبات رسیده , صنعت خودروسازی میباشد .
اشاره کرد.این امر نشان دهنده ناتوانی این مدلها در پیش بینی صحیح خواص نانوسیال است.بنابراین برای کاربردی کردن این نوع از سیالات در آینده و در سیستمهای جدید ، باید اقدام به طراحی و ایجاد مدلها و تئوریهایی شامل اثر نسبت سطح به حجم و فاکتورهای سیالیت نانوذرات و تصحیحات مربوط به آن کرد.
اخیرا استفاده از نانو سیالات که در حقیقت سوسپانسیون پایداری از نانوفیبرها و نانو ذرات جامد هستند،به عنوان راهبردی جدید در عملیات انتقال گرما مطرح شده است.تحقیقات اخیر روی نانو سیالات ، افزایش قابل توجهی را در هدایت گرمای آن ها نسبت به سیالات بدون نانو ذرات و یا همراه با ذرات بزرگتر (ماکرو ذرات)نشان می دهد.از دیگر تفاوتهای این نوع سیالات ، تابعیت شدید هدایت گرمای از دما،همچنین افزایش فوق العاده شار گرمای بحرانی در انتقال گرما جوشش آنهاست.نتایج آزمایشگاهی به دست آمده از نانو سیالات نتایج قابل بحثی است که به عنوان مثال می توان به انطباق نداشتن افزایش هدایت گرما با تئوریهای موجود
مقدمه / سیستمهای خنک کننده
یکی از مهمترین دغدغه های کارخانه ها و صنایعی مانند میکرو الکترونیک و هر جایی است که به نوعی با انتقال گرما روبه رو باشد. با پیشرفت فناوری در صنایعی مانند میکرو الکترونیک که در مقیاسهای زیر صد نانومتر عملیاتهای سریع و حجیم با سرعت های بسیار بالا (چند گیگا هرتز) اتفاق می افتد و استفاده از موتورهایی با توان و بار گرمایی بالا اهمیت به سزایی پیدا می کند،استفاده از سیستمهای خنک کننده پیشرفته و بهینه ، کاری اجتناب نا پذیر است. بهینه سازی سیستمهای انتقال گرما موجود،در اثر مواقع به وسیله افزایش سطح آنها صورت می گیرد که همواره باعث افزایش حجم و اندازه این دستگاهها می شود لذا برای غلبه بر این مشکل،به خنک کننده های جدید و موثر نیاز است و نانوسیالات به عنوان راهکاری جدید در این زمینه مطرح شده اند.
نانو سیالات به علت افزایش قابل توجه خواص گرمایی،توجه بسیاری از دانشمندان را در سالهای اخیر به خود جلب کرده است.به عنوان مثال مقدار کمی (حدود یک درصد حجمی ) از نانوذرات مس یا نانو لوله های کربنی در اتیلن گلیکول یا روغن به ترتیب افزایش ۴۰ و ۱۵۰ درصدی در هدایت گرمایی این سیالات ایجاد می کند در حالی که برای رسیدن به چنین افزایشی در سوسپانسیون های معمولی ، به غلظتهای بالاتر از ده درصد از ذرات احتیاج است این در حالیست که مشکلات رئولوژیکی و پایداری این سوسپانسیون ها در غلظتهای بالا مانع از استفاده گسترده آنها در انتقال گرما می شود.
این تغییرات در خواص گرمای نانوسیالات فقط مورد توجه دانشگاهیان نبوده است،در صورت تهیه موفقیت امیز و تایید پایداری آنها می تواند آینده ای امیدوار کننده در مدیریت گرمای صنعت را رقم بزند.البته از سوسپانسیون نانو ذرات فلزی،در دیگر زمینه ها از جمله صنایع دارویی و درمان سرطان نیز استفاده شده است.به هر حال تحقیق در زمینه نانوذرات،دارای آینده ای بسیار گسترده است.
در برخی از تحقیقات ، هدایت گرمای نانوسیالات ، چندین برابر بیشتر از پیش بینی تئوریها است. از دیگر نتایج بسیار جالب،تابعیت شدید هدایت گرمای نانوسیالات و افزایش تقریبا سه برابری فلاکس گرمای بحرانی آنها در مقایسه باسیالات معمولی است.
تهیه نانوسیالات
بهبود خواص گرمای نانوسیال احتیاج به انتخاب روش تهیه مناسب این سوسپانسیونها دارد تا از ته نشینی و ناپایداری آنها جلوگیری شود.متناسب با انواع کاربرد،انواع بسیاری از نانوسیالات از جمله نانوسیال اکسید فلزات،نیتریت ها،کاربید فلزات و غیر فلزات که به وسیله یا بدون استفاده از سورفکتانت در سیالاتی مانند آب،اتیلن گلیگول و روغن به وجود آمده است.مطالعات زیادی روی چگونگی تهیه نانوذرات و روشهای پراکنده سازی آنها در سیال پایه انجامشده است که در اینجا به طور مختصر چند روش متداول را که برای تهیه نانو سیال وجود دارد ذکر می کنیم.
یکی از روشهای متداول تهیه نانوسیال،روش دو مرحله ای است.در این روش ابتدا نانوذره یا نانو لوله معمولا به وسیله روش رسوب بخار شیمیایی (CVD ) در فضای گاز بی اثر به صورت پودر های خشک تهیه می شود،در مرحله بعد نانو ذره یا نانو لوله در داخل سیال پراکنده می شود.برای این کار از روشهایی مانند لرزاننده های مافوق صوت و یا از سورفکتانت ها استفاده می شود تا توده های نانو ذره ای به حداقل رسیده و باعث بهبود رفتار پراکندگی شود.روش دو مرحله ای برای بعضی موارد مانند اکسید فلزات در آب،دیونیزه شده بسیار مناسب است و برای نانو سیالات شامل نانو ذرات فلزی سنگین،کمتر موفق بوده است.
روش دو مرحله ای دارای مزایای اقتصادی بالقوه ای است;زیرا شرکتهای زیادی توانایی تهیه نانو پودر ها در مقیاس صنعتی را دارند.
روش یک مرحله ای نیز به موازات روش دو مرحله ای پیشرفت کرده است;به طور مثال نانو سیالاتی شامل نانوذرات فلزی با استفاده از روش تبخیر مستقیم تهیه شده اند.در این روش ،منبع فلزی تحت شرایط خلا تبخیر می شود.
در این روش،تراکم توده نانوذرات به حداقل خود میرسد،اما فشار بخار پایین سیال یکی از معایب این فرایند محسوب می شود;ولی با این حال روشهای شیمیایی تک مرحله ای مختلفی برای تهیه نانو سیال به وجود آمده است که از آن جمله می توان به روش احیای نمک فلزات و تهیه سوسپانسیون آن در حلالهای مختلف برای تهیه نانوسیال فلزات اشاره کرد.مزیت اصلی روش یک مرحله ای ،کنترل بسیار مناسب روی اندازه و توزیع اندازه ذرات است.
انتقال گرما در سیالات ساکن
خواص استثنایی نانو سیالات شامل هدایت گرمای بیشتر نسبت به سوسپانسیون های معمولی،رابطه غیر خطی بین هدایت به دما و افزایش شدید فلاکس گرمای در منطقه جوشش است.این خواص استثنایی، به همراه پایداری،روش تهیه نسبتا آسان و ویسکوزیته قابل قبول باعث شده تا این سیالات به عنوان یکی از مناسب ترین و قوی ترین انتخاب ها در زمینه سیالات خنک کننده مطرح شوند.
بیشترین تحقیقات روی هدایت گرمای نانوسیالات ، در زمینه سیالات حاوی نانوذرات اکسید فلزی انجام شده است.
ماسودا افزایش ۳۰ درصدی هدایت گرما را با اضافه کردن ۴.۳ درصد حجمی آلومینا به آب گزارش کرده است.لی افزایش ۱۵% درصدی را برای همین نوع نانوسیال با همین درصد حجمی گزارش کرده است که تفاوت این نتایج را ناشی از تفاوت در اندازه نانوذرات به کار رفته در این دو تحقیق می داند.قطر متوسط ذرات آلومینای به کار رفته در آزمایش اول ۱۳ نانومتر و در آزمایش دوم۳۳ نانو متر بوده است.زای و همکاران افزایش ۲۰ درصدی را برای ۵۰ درصد حجمی از همین نانو ذرات گزارش کرده اند.گروه مشابهی برای نانوذرات کاربید سیلیکون نیز به نتایج مشابهی رسیده اند.لی بهبود نسبتا کمتری را در هدایت گرمای نانو سیالات حاوی نانوذرات اکسید مس،نسبت به نانوذرات آلومینا مشاهده کرد;در حالیکه ونگ ۱۷ درصد افزایش هدایت گرما را برای فقط ۴% درصد حجمی از نانوذرات اکسید مس در آب گزارش کرده است.برای نانو سیال با پایه اتیلن گلیکول، افزایش بالای ۴۰ درصد برای ۳%درصدحجمی مس با متوسط قطر ده نانومتر گزارش شده است.پتل افزایش بالای ۲۱% برای سوسپانسیون ۱۱% حجمی از نانو ذرات طلا و نقره که به ترتیب در آب تولوئن پراکنده شده بودند را مشاهده کرد.در مواردی هم هیچ افزایش قابل توجهی در هدایت مشاهده نشده است.
اخیرا تحقیقات دیگری روی وابستگی هدایت به دما برای غلظتهای بالای نانوذرات اکسید فلزات و غلظتهای پایین نانوذرات فلزی در حال انجام است که در هر دو مورد در محدوده دمای ۲۰ تا ۵۰ درجه سانتیگراد افزایش ۲ تا ۴ برابری در هدایت مشاهده شده است و در صورت تایید این خواص برای دماهای بالاتر می توان نانوسیال را در سیستمهای گرمایشی نیز استفاده کرد.بیشترین افزایش هدایت در سوسپانسیون نانولوله های کربنی گزارش شده است که علاوه بر هدایت گرمای بالا ، نسبت طول به قطر بالایی دارند.از آنجا که نانو لوله های کربنی ،تشکیل یک شبکه فیبری می دهند،سوسپانسیون آنها بیشتر شبیه کامپوزیتهای پلیمری عمل میکند.بیرکاک افزایش ۱۲۵ درصدی هدایت را در اپوکسی پلیمر-نانولوله حاوی یک درصد نانو لوله حاوی یک درصد نانولوله تک دیواره گزارش کرد،همچنین مشاهده کرد که با افزایش دما ،هدایت گرما افزایش می یابد.
چون برای سوسپانسیون یک درصد نانولوله های چند دیواره در روغن ۱۶ درصد افزایش هدایت گرما گزارش کرده است.گزارشها و تحقیقات مختلفی در زمینه افزایش هدایت گرمای سوسپانسیون نانو لوله کربنی ارائه شده است;زای افزایش ۱۰ تا ۲۰ درصدی هدایت گرما را در سوسپانسیون یک درصد حجمی با سیال آب گزارش کرده است.ون و دینگ نیز ۲۵ درصد افزایش هدایت را در سوسپانسیون ۸ درصد حجمی در آب گزارش کرده است.اسیل بیشترین افزایش را ۳۸ درصد برای سوسپانسیون ۶ درصد حجمی در آب گزارش کرده است.
ون و دینگ افزایش سریع هدایت در غلظتهای حدود ۲ درصد حجمی را گزارش کرده و نشان داده است که این افزایش از آن به بعد تقریبا ثابت می ماند. در تمامی گزارشها افزایش هدایت با دما مشاهده شده ;هر چند برای دماهای بالاتر از ۳۰ درجه سانتیگراد این افزایش تقریبا متوقف می شود.
جریان، جابجایی و جوشش
اخیرا ضریب انتقال گرما نانو سیال در جابجایی آزاد و اجباری اندازه گیری شده است.داس آزمایشهای تعیین خواص گرمای جوشش را برای نانوسیال شروع کرد.یو فلاکس گرمای بحرانی نانو سیال آلومینا_آب در حال جوشش را اندازه گیری کرد و افزایش سه برابری در فلاکس گرمای بحرانی (CHF) را نسبت به آب خالص گزارش کرد. در همین زمینه واسالو نانو سیال سیلیکا-آب را تهیه کرد و همان افزایش سه برابری در CHF را گزارش کرد.
ضریب انتقال گرما جابجایی آزاد علاوه بر اینکه به هدایت گرما بستگی دارد، به خواص دیگری مانند گرمای ویژه،دانسیته و ویسکوزیته دینامیک نیز وابسته است که البته در این درصدهای حجمی پایین همان طور که انتظار می رفت و مشاهده شد،گرمای ویژه و دانسیته بسیار به سیال پایه نزدیک است.ونگ ویسکوزیته آلومینا-آب را اندازه گرفت و نشان داد که هر چه ذرات بهتر و بیشتر پراکنده شوند ویسکوزیته پایین تری را مشاهده می کنیم.وی افزایش ۳۰ درصدی در ویسکوزیته را برای سوسپانسیون ۳ درصد حجمی گزارش کرد که در مقایسه با نتیجه پک رچو ۳ برابر بیشتر به نظر میرسد که نشان دهنده وابستگی ویسکوزیته به روش تهیه نانو سیال است.ژوان ولی ضریب اصطکاک را برای نانو سیال حاوی یک تا دو درصد ذرات مس به دست آورد و نشان داد که این ضریب تقریبا مشابه سیال پایه آب است.ایستمن نشان داد که ضریب انتقال گرما جابجایی اجباری سوسپانسیون ۹ درصد حجمی از نانو ذرات اکسید مس ،۱۵ درصد بیشتر از سیال پایه است.
ژوان ولی ضریب انتقال گرما جابجایی اجباری در جریان آشفته را نیز اندازه گرفتند و نشان دادند که مقدار کمی از نانو ذرات مس در آب دیونیزه شده ، ضریب انتقال گرما را به صورت قابل توجهی افزایش می دهد ، به طور مثال افزودن ۲ درصد حجمی از نانو ذرات مس در آب ،حدود ۳۹ درصد انتقال گرما آن را افزایش می دهد. در حالی که در تناقض با نتایج بالا ، پک وچو کاهش ۱۲ درصدی ضریب انتقال گرما را در سوسپانسیون حاوی ۳ درصد حجمی از آلومینا و تیتانا در همان شرایط مشاهده کردند.پوترا با کار روی جابجایی آزاد،بر خلاف هدایت و جابجایی اجباری ،کاهش انتقال گرما را مشاهده کرد.داس با انجام آزمایشهای جوشش روی آلومینا- آب نشان داد که با افزایش درصد حجمی نانوذرات،بازدهی جوشش نسبت به سیال پایه کم می شود.وی این کاهش را به تغییر خواص سطحی بویلر به علت ته نشینی نانوذرات روی سطح ناهموار آن نسبت داد نه به تغغیر خواص سیال.یو با اندازه گیری فلاکس گرمای بحرانی برای جوشش روی سطوح تخت و مربعی مس که در نانو سیال آب – آلومینا غوطه ور بودند،نشان داد که فلاکس گرمایی این سیالات سه برابر آب است واندازه متوسط حباب،افزایش و فرکانس تولید آنها کاهش می یابد.
این نتایج را واسالو نیز تایید کرد.وی روی نانو سیال آب -سیلیکا کار می کرد و افزایش فلاکس گرمای بحرانی را برای غلظتهای کمتر از یک هزارم درصد حجمی گزارش کرد.هنوز مدلی برای پیش بینی این افزایشها و فاکتورهای موثر بر آن وجود ندارد.
هدایت گرمای نانوسیال
هدایت گرمای نانو سیال بیشترین مطالعات را به خود اختصاص داده است.این مقاله نیز به هدایت گرمایی در سیال ساکن پرداخته است.از آنجا که نانوسیال جز مواد مرکب و کامپوزیتی محسوب می شود ، هدایت گرمایی آن به وسیله تئوری متوسط موثر به دست می آید که به وسیله موسوتی،کلازیوس،ماکسول و لورانزا در قرن ۱۹ به دست آمد.
اگر از تاثیرات سطح مشترک نانو ذرات کروی صرف نظر شود،در مقادیر بسیار اندک نانو ذرات f=جز حجمی نانو ذرات همه مدلهای منتج از تئوری متوسط موثر ، حل یکسانی دارند.در مواردی که نانوذرات دارای هدایت گرمایی بالایی باشند پیش بینی می شود که افزایش هدایت گرمای نانو سیال f*3 خواهد شد که این پیش بینی ، تخمین خوبی برای مواردی است که هدایت ذرات ، بیشتر از ۲۰ برابر هدایت گرمای سیال باشد.
چشم انداز نانو سیال ها
در ده سال گذشته ، خواص جالبی برای نانو سیالات گزارش شده است که در این میان،هدایت گرما بیشترین توجه را به خود جلب کرده است ولی اخیرا خواص گرمای دیگری نیز مورد پژوهش قرار گرفته است. نانو سیالات را می توان در زمینه های مختلفی به کار برد،اما این کار با موانعی روبرو است،از جمله اینکه درباره نانوسیال چند نکته باید بیشتر مورد توجه قرار گیرد:
ضعف در تعیین مشخصات سوسپانسیون نانوذرات
تطابق نداشتن نتایج تجربی در آزمایشگاههای مختلف
نبود مدلها و تئوریهای مناسب برای بررسی تغییر خواص نانوسیال.
نکات برگزیده خواص استثنایی نانو سیالات شامل هدایت گرمایی بیشتر نسبت به سوسپانسیونهای معمولی،رابطه غیر خطی بین هدایت و غلظت مواد جامد و بستگی شدید هدایت به دما و افزایش شدید فلاکس گرما در منطقه جوشش است.
خواص استثنایی،به همراه پایداری،روش تهیه نسبتا آسان و ویسکوزیته قابل قبول باعث شده تا نانوسیالات به عنوان یکی از مناسب ترین و قوی ترین انتخاب ها در زمینه سیالات خنک کننده مطرح شوند.
مقدار کمی (حدود یک درصد حجمی)از نانوذرات مس یا نانولوله های کربنی در اتیلن گلیکول یا روغن به ترتیب افزایش ۴۰ و ۱۵۰ درصدی در هدایت گرمایی این سیالات ایجاد می کند.
از نانوسیالات میتوان به منظور توسعه سیستمهای کنترل حرارت در بسیاری کاربردها از جمله وسایل نقلیه سنگین استفاده نمود. کنترل حرارت یکی از عوامل کلیدی در فناوری‌‌های مربوط به محصولاتی مانند پیل سوختی و وسایل نقلیه دوگانه سوز– الکتریکی میباشد که بیشتر آنها تحت دماهای عمدتاً کمتر از دمای موتورهای احتراقی داخلی متداول، عمل می‌کنند.
بنابراین نیاز مبرمی به توسعه سیالات انتقال دهنده حرارت با هدایت گرمایی خیلی بالا و نیز انتقال این فناوری به صنایع خودرو وجود دارد.
اخیراً نانوسیالاتی حاوی نانو لوله کربنی ساخته شدهاند و نتایج آزمایشهای انجام شده بر روی این نانوسیالات نشان داده است که وجود نانولوله‌ها در یک سیال، هدایت گرمایی آن را بطور چشمگیری افزایش می‌دهد.
اخیراً پژوهش‌هایی در مورد نانوسیالات فلزی حاوی نانوذراتِ مسِ با قطرِ کمتر از ۱۰ نانومتر که در اتیلن گلیکول پخش شده بودند انجام شده است. این پژوهش‌ها نشان می‌دهد که در جزء حجمی بسیار اندکی از نانوذرات، رسانایی گرمایی می‌تواند بیشتر از قابلیت رسانایی صرف خود سیال و یا نانوسیالات اکسیدی (مانند اکسید مس و اکسید آلومنیوم با قطر متوسط ذرات ۳۵ نانومتر) باشد. همانطور که در نمودار ۱ نشان داده شده است. به علت اینکه تاکنون هیچکدام از نظریههای معمول، اثرات ناشی از قطر ذرات و یا هدایت آنها بر روی میزان هدایت نانوسیالات را پیش‌بینی نکرده‌اند، این نتایج غیر منتظره است.
جالبتر آنکه افزایش هدایت گرمایی مربوط به نانو لوله یک گام از پیش‌بینی های انجام شده به وسیله نظریههای موجود فراتر است. از این گذشته نمودار هدایت گرمایی اندازه گیری شده بر حسب حجم‌های جزئی، به صورت غیرخطی میباشد حال آنکه تئوریهای رایج به وضوح وجود یک نسبت خطی را میان این دو پارامتر نشان داده بودند
از ویژگی‌های کلیدی نانوسیالات که تاکنون کشف شدهاند میتوان هدایت‌های گرمایی بسیار بالاتر از آنچه که سوسپانسیونهای مرسوم از خود نشان داده بودند، وجود نسبت غیر خطی میان هدایت گرمایی و غلظت نانولوله‌های کربنی در نانوسیالات و نیز وابستگی شدید هدایت گرمایی به دما و افزایش چشمگیر در شار حرارتی بحرانی را نام برد. هر کدام از این ویژگی‌ها در جای خود برای سیستمهای حرارتی بسیار مطلوب می‌باشند و در کنار هم، نانوسیالات را بهترین کاندیدا برای تولید سرد کننده‌های مبتنی بر مایع می‌نمایند. این یافته‌ها همچنین وجود محدودیت‌های اساسی در مدلهای انتقال گرمایی متداول برای سوسپانسیونهای جامد/ مایع را به وضوح نشان می‌دهد.
از جمله عوامل انتقال حرارت در نانوسیالات، عبارتند از: حرکت نانوذرات، سطح مولکولی لایه‌ای مایع در سطح مشترک مایع با ذرات، انتقال حرارت پرتابه‌ای در نانوذرات و تأثیر خوشه‌ای شدن نانوذرات از جمله عوامل انتقال حرارت در نانوسیالات می‌باشند.
یک پروژه جدید با هدف کشف پارامترهای کلیدی، که در تئوریهای موجود و مفاهیم بنیادی مکانیزم‌های افزایش انتقال حرارت نانوسیالات از قلم افتاده‌اند، و نیز کشف مبنای تئوری برای افزایش غیر عادی هدایت گرمایی نانوسیالات در جولای سال ۲۰۰۰ با حمایت وزارت انرژی آمریکا و مرکز انرژی علوم پایه به تصویب رسید.
ساختار نانوذرات در نانوسیالات در حال بررسی و آزمایش بوسیله منبع فوتونی پیشرفته آزمایشگاه ملی آرگون میباشد. بر طبق نتایج گزارش شده از دانشگاه A&M تگزاس، این دانشگاه در حال مطالعه بر روی ارتباط بین جنبش نانوذرات و افزایش انتقال حرارت در آنها میباشد. با استفاده از نتایج جمع‌آوری شده، توسعه یک مدل جدید انتقال انرژی در نانوسیالات که وابسته به اندازه نانوذره، ساختار و تأثیر پویایی بر روی خصوصیات حرارتی نانوسیالات میباشد، امکان پذیر شده است.
این نحوه ارتباط رشته‌های مختلف علمی و پروژه‌های مشترک منجر به کشف مرزهای جدیدی در تحقیقات ترموفیزیک برای طراحی و مهندسی در زمینه تولید خنک‌کننده‌ها خواهد گردید. تحقیق در مورد نانوسیالات می‌تواند به یک پیشرفت غیر منتظره در زمینه سیستمهای ترکیبی مایع/جامد، برای کاربردهای بی‌شمار مهندسی از جمله خنک‌کننده‌های اتومبیل‌ها و کامیون‌های سنگین بیانجامد.
از عمده‌ترین تأثیرات این تحقیقات میتوان به بیشتر شدن کارایی انرژی، کوچکتر و سبک‌تر شدن سیستمهای حرارتی، کمتر شدن هزینه‌های عملیاتی و پاک‌سازی محیط زیست اشاره نمود.
نانوسیالات و کامیون های پیشرفته :
به علت نیاز به موتورهایی با نیروی بیشتر، تولید کنندگان کامیون دائماً در جستجوی راه‌هایی برای گسترش طرح‌های آیرودینامیک در وسایل نقلیه‌شان هستند. از جمله تلاش‌ها در این زمینه معطوف به کاهش مقدار انرژی مورد نیاز جهت مقابله با مقاومت‌های بالا میباشد. در یک کامیون سنگین معمولی، با سرعت ۱۱۰ کیلومتر در ساعت، در حدود ۶۵ درصد کل بازده موتور، صرف غلبه بر کشش‌های آیرودینامیک میشود که یکی از دلایل بزرگ این امر مقاومت هوا میباشد.
این سیالات قادرند بدون افزایش دمای خودشان حرارت را جذب و سپس آن را بسیار آهسته و بدون نیاز به مقدار سیال بیشتر به محیط اطراف منتقل نمایند که این انتقال آهستۀ گرما به محیط، موجب بزرگی اندازۀ رادیاتورهای وسایل نقلیه معمولی میشود.
در سیستمهای خنک کننده، با توجه به نوع سیال مورد استفاده رادیاتورهای متفاوتی مورد نیاز است. جهت انتقال حرارت از موتور به رادیاتور و در نهایت آزاد شدن این حرارت به محیط اطراف، به کارگیری سیالات با ظرفیت‌های گرمایی بالا ضروری میباشد.
اگر سرعت انتقال حرارت توسط سیالات به‌گونه‌ای افزایش یابد، طراحی رادیاتورها آسان و مؤثرتر شده و میتوان آنها را کوچکتر ساخت. همچنین اندازۀ پمپ‌‌های خنک کنندۀ وسایل نقلیه می‌تواند کاهش یابد. موتورهای کامیون‌ها نیز می‌توانند به علت کارکردن تحت دماهای بالاتر نیروی بیشتری تولید نمایند. افزایش هدایت گرمایی خنک‌کننده‌ها نیز می‌تواند ایده‌ای مناسب برای تولید پیل‌های سوختی پیشرفته و وسایل نقلیۀ دوگانه سوز/الکتریکی باشد.
محققان آزمایشگاه آرگون در حال پیدا کردن روشی برای افزایش زیاد هدایت گرمایی خنک کننده‌ها در موتورهای معمولی بدون بروز تأثیراتی مغایر با ظرفیت‌های گرمایی آنها هستند.
بخش انرژی آزمایشگاه آرگون به طور مشترک با کمپانی Valvo Line، در حال کار در زمینۀ توسعۀ خنک‌کننده‌های نانوسیالی و روغن‌های روان‌ساز برای موتورهای کامیون میباشد.
محققان آرگون هم‌اکنون از یک روش یک مرحله‌ای برای تولید نانوسیالات بر مبنای نانوذرات فلزی و یک روش دومرحله‌ای برای تولید نانوسیالات بر مبنای نانوذرات اکسیدی، استفاده می‌کنند که هر دو شیوه، روشهای نسبتاَ آسان و اقتصادی برای تولید نانوسیالات هستند.
هم‌اکنون محققان آرگون در حال بررسی تأثیر دوده در روغن موتور می‌باشند. میزان دوده در روغن موتور گاهی اوقات بیشتر از حد انتظار است. با وجود اینکه ذرات دوده به کوچکی ذرات نانومتری موجود در نانوسیالات نیستند، محققان دریافتند تجمع آنها در روغن موتور منجر به افزایش ۱۵ درصدی در هدایت گرمایی روغن موتور میشود.
بر اساس این یافته‌ها محققان حسگری تولید نمودند که با اندازه‌گیری میزان افزایش هدایت گرمایی ذرات دودۀ جمع شده در روغن موتور قادر به نشان‌دادن نحوۀ عملکرد موتور میباشد.
نانوسیالات فلزی و موتورهای خنک‌کننده
ویژگی‌های موتورهای دیزلی از نظر محدودیت در واکنش‌ها و راندمان کار به سرعت در حال دگرگون شدن است. سیستمهای خنک‌کننده باید بتوانند تحت دماهای بالاتر کار کرده و مقادیر بیشتری گرما به محیط اطراف منتقل کنند. اندازۀ رادیاتورها نیز باید کاهش یابد تا تجهیزات اضافی کامیون‌ها حذف شده و رفت‌و‌آمد با آنها ساده‌تر گردد. به‌طور واقع‌بینانه، محصور کردن نیروی خنک‌کنندۀ بیشتر در فضای کمتر، تنها با به کار بردن فناوری‌‌های جدیدی مانند نانوسیالات ممکن خواهد بود.
کاربرد دیگر این مدل‌سازی‌ها، پیش‌بینی میزان هدایت گرمایی یک نانوسیال بر مبنای غلظت، دمای عملیاتی و اندازۀ نانوذرات پخش شده در سیال میباشد. از این گذشته این امکان وجود دارد که خواص نانولایه‌هایی که روی سطح نانوذرات معلق تشکیل می‌شوند، عاملی برای افزایش بیشتر هدایت گرمایی نانوسیالات می باشد.
دو مکانیزم کلیدی حرکت براونی و نانولایه‌ها، توأماً از مهمترین عوامل افزایش هدایت گرمایی سیالات انتقال دهندۀ گرما می‌باشند.
محققان آزمایشگاه آرگون در حال بررسی خطرات احتمالی نانوسیالات برای سیستم های رادیاتور می‌باشند. آنها موفق به ساخت وسیله‌ای شدند که قادر به اندازه‌گیری و آزمایش تأثیرجریان‌های خنک کنندۀ متفاوت بر عملکرد یک رادیاتور میباشد.
تحقیقات آینده بیشتر بر روی جنس نانوذرات به کار‌‌رونده در ساخت نانوسیالات از جمله ذرات آلومینیوم و نانوذرات اکسید فلزی روکش شده متمرکز خواهد شد در اکثر کارخانجات کوچک و بزرگ یکی از مهمترین و اساسی ترین دستگاهها می توان انواع برجهای خنک کننده را نام برد. برجهای خنک کننده علاوه بر آب به منظور خنک کردن سیالاتی دیگر در صورت لزوم مورد استفاده واقع می شود. با توجه به اینکه برجهای خنک کننده معمولاً حجیم می باشند و بعلت پاشیدن آب در محیط اطراف خود و خرابی تجهیزات آن را معمولاً در انتهای فرایند نصب می کنند.
اگراز وسایل برجهای خنک کننده صرف نظر نشود برای ساخت برج تکنولوژی بالایی نیاز نیست همانطور که در ایران در حال حاضر ساخت این برجها در حد وسیعی صورت می گیرد .برجها با توجه به شرایط فیزیکی و شیمیایی خاص خود دچار مشکلاتی می شوند ولی معمولاٌ زمانی لازم است تا این مشکلات برج را از کار بیاندازد طولانی است.،ولی عملاٌ اجتناب ناپذیر است.
در این مجموعه تا سر حد امکان سعی شده است که دیدی نسبتاً کلی راجع به برج به خواننده منتقل شود و تا حد امکان از جزییات مربوط به برجهای خنک کننده توضیح لازم داده شده باشد.
برج خنک کننده
پیشگفتاری بر برج های خنک کننده
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 گردد.عمل خنک شدن در اثر از دست دادن گرمای نهان تبخیر انجام می گیرد، در حالی که مقدار کمی آب تبخیر می شود و باعث خنک شدن آب می گردد.باید توجه داشت آب مقداری از گرمای خود را به طریق تشعشع ،هدایتی وجابجایی و بقیه از راه تبخیر از دست می‌دهد.
بیشتر دستگاههای خنک کن از یک مدار بسته تشکیل شده اند که آب در این دستگاهها نقش جذب ، دفع و انتقال گرما را به عهده دارد، یعنی گرمای بوجود آمده توسط ماشین جذب و از دستگاه دور می سازد. این کار باعث ادامه کار یکنواخت و پایداری دستگاه می شود. در دستگاههایی که به دلایلی مجبوریم آب را بگردش در آوریم و یا به کار ببریم باید بنحوی گرمای آب را دفع کرد. با بکار بردن برجهای خنک کننده این کار انجام می گیرد. در تمام کارخانه ها تعداد زیادی دستگاههای تبدیل حرارتی (heat exchanger) وجود دارد که در بیشترآنها آب عامل سرد کنندگی است.
بدلایل زیر آب معمولترین سرد کننده هاست:
بمقدار زیاد وارزان در دسترس می باشد.
به آسانی آب را می توان مورد استفاده قرار داد .
قدرت سرد کنندگی آب نسبت به اکثر مایعات) در حجم مساوی )بیشتر است.
انقباض و انبساط آب با تغییر درجه حرارت جزیی است.
هر چند که آب برای انتقال گرما بسیار مناسب است با بکار بردن آن باعث بوجود آمدن مشکلاتی نیز می شود. آب با سختی زیاد باعث رسوب سازی در دستگاهها شده و همچنین از آنجایی که بیشتر این دستگاهها از آلیاژ آهن ساخته شده اند مشکل خوردگی بوجود می آید. از طرف دیگر بیشتر برجهای خنک کننده در بر خورد مستقیم با هوا و نور خورشید می باشند محیط مناسبی برای رشد باکتریها و میکرو ارگانیسم ها نیز می باشد که آنها نیز مشکلاتی همراه دارند.
وارد شدن گرد و خاک بداخل برج نیز در بعضی مواقع ایجاد اشکال می نماید.در کل این مشکلات باعث می شود که بازدهی دستگاه کم شده و در نتیجه از نظر اقتصادی مخارج زیادتری خواهند داشت. در این مجموعه طبیعت این مشکلات و شرایط بوجود آمدن آنها و راههای جلوگیری از آنها را بطور مختصر شرح خواهیم داد.موارد استفاده از برجهای خنک کننده را نیز در بخش های دیگری از این مجموعه را در بر می گیرد.
عموماً برجهای خنک کننده (cooling tower) را به سه گروه تقسیم می کنند :
۱. برجهای خنک کننده مرطوب
۲. برجهای خنک کننده مرطوب- خشک
۳. برجهای خنک کننده خشک
در برجهای خنک کننده مرطوب، آب نقش اصلی و اساسی را داشته و هدف نیز همان خنک کردن آب است. این نوع دستگاهها که خود به چند گروه و دسته تقسیم می شوند در صنعت دارای کاربرد فراوانی است. از یرجهای خنک کننده خشک بیشتر در مکانهای که آب کافی برای خنک کردن برج وجود ندارد استفاده می شود. عمل خنک کردن آب را نیز میتوان از برجهای سینی دار بصورت مرحله ای انجام داد.ولی عملاً بعلت وجود هزینه های زیاد ساخت ،نگهداری و کنترل سیستم این روش ، معمول نمی باشد.
برای انجام عملیات خنک سازی آب می توان از برجهای آکنده و سینی دار استفاده نمود.با وجود این در مواردی که فازهای مورد نظر آب و هوا با شند بعلت فراوانی و ارزان بودن فازهای فوق بدلایلی که در صفحه قبل ذکر شد از دستگاههای دیگری استفاده می گردد که ساختن و نگهداری آنها مستلزم هزینه های زیادی نمی باشد. از این جهت بیشتر دستگاههایی که در مقیاس صنعتی بکار می رود ساختمان و خصوصیات بسیار عمده ای را دارا است که اینک به انواع مختلف این دستگاهها اشاره می شود.
بررسی برجهای خنک کننده و اجزاء آن
برج خنک کننده : COOLING TOWER
برج خنک کن دستگاهی است که با ایجاد سطح وسیعی در تماس آب با هوا ، عمل تبخیر را آسان نموده و در نتیجه باعث خنک شدن سریع آب می گردد. عمل خنک شدن در اثر از دست دادن گرمای نهان تبخیر انجام می گیرد در حالی که مقدار کمی آب بخار می شود و سبب خنک شدن آب می گردد.باید توجه داشت که آب مقدار اندکی از گرمای خود را از طریق تشعشع (Radiation) ودر حدود ۴/۱آن را از راه هدایت (Conduction) و جابجائی (Convection) و بقیه را از راه تبخیر از دست می‌دهد. اختلاف فشار بخار آب بین سطح آب و هوا باعث تبخیر می شود.این اختلاف بستگی به دمای آب و میزان اشباع هوا از آب دارد.
مقدار گرمای که بوسیله مایعی جذب یا دفع می شود از رابطه زیر بدست می آید :
TDE=W×S×
در رابطه بالا:
E :گرمای دفع یا جذب شده بر حسب BTU/hr یا CAL/hr
W :دبی مایع خنک شونده بر حسب lb/hr
S : گرمای ویژه مایع خنک کننده بر حسب lb.f/ Btu
T :کاهش دمای مایعD خنک شونده بر حسب f
در حالیکه عمل خنک شدن از طریق تبخیر انجام می گیرد گر مای نهان تبخیر از دست داده شده باید به آن اضافه گردد و آن برابر است با حاصل ضرب گرمای نهان تبخیر در دبی . مقدار تبخیر بستگی دارد به سطح بر خورد آب با هوا و همچنین شدت جریان هوا دارد. برای اینکه حداکثر بهره برداری که در طرح آن بکار رفته است رعایت شود در برجهای خنک کننده که آکنده های آن از نوع splash packing می باشد آب به صورت قطره های در سطوح برج پخش می شود تا سطح وسیعی بوجود آید البته برای این منظور می توان از آکنه های نوع film packing نیز استفاده کرد. جریان هوا در برج به صورت کشش طبیعی با استفاده از دودکش های هذلولی شکل یا کشش مکانیکی بوسیله بادبزنهای مناسب در جهت مخالف آب ( counter-flow) و یا به طور متقاطع (cross-flow) با آن به جریان می افتد .
سیستم برج خنک کننده
در سیستم برج خنک کننده آب گرم کندانسور از برج خنک کننده عبور می کند و با هوا تماس می یابد. در برجهای خنک کننده با کشش طبیعی ،پوسته خارجی برج از بتن مسلح ساخته شده ودر روی پایه ها تکیه دارد . هوا از قسمت پائین وارد برج خنک کننده می شود و به طرف بالا جریان می یابد و از دهانه بالای برج خارج می گردد.
انواع دیگری از برجهای خنک کننده که از چوب و سایر مصالح ساخته می شود نیز وجود دارد.در برجهای خنک کننده با کشش طبیعی هوا شکل برج طوری طراحی می شود که جریان سریع هوا در داخل برج بوجود آید.
آب گرم از کندانسور در ارتفاع ۱۰ تا ۱۵ متر بالاتر از سطح استخر به سیستم پخش کننده آب وارد می شود . در برجهای قدیمی تر صفحه ای که آب خروجی از کندانسور به آن ریخته می شود دارای سوراخهای منظمی در قسمت پائین است که آب از داخل این سوراخها به فنجانهای زیرین می ریزد. این فنجانها باعث پاشش آب و تبدیل آنها به قطرات کوچک می شوند. یک سیستم خیلی جدید برای پخش آب در برج خنک کننده بکار بردن لوله هایی است که در سطح بالای آن شیپوره هایی برای پاشش آب تعبیه شده است.
تبادل حرارت بین هوای بالارونده از برج و آبی که از برج سرازیر است با تغییر حرارت محسوس در اثر اختلاف درجه حرارت بین آب و هوا انجام می شود. سهم این قسمت از تبادل حرارتی خیلی کم است و قسمت عمده تبادل در اثر تبخیر مقدار کمی آب که پیوسته همراه هوا می باشد،انجام می شود. در اثر این عمل مقدار زیادی گرما از آب سرازیر شده در برج خنک کننده ( بستگی به مقدار آبی که تبخیر شده است) به هوا منتقل می گردد(Evaporating loss). ضمناً مقداری از قطرات آب بوسیله هوا بخارج از برج پراکنده می شود(Windage loss). برای جلوگیری از خروج قطرات آب یک شبکه چوب در اطراف برج و حدود ۳ متر بالاتر از توده تخته ها قرار دارد . کمبود آب تبخیر شده در سیستم برج خنک کننده باید از منبع خارجی جبران شود که به آن ،آب تکمیلی یا آب جبرانی (Makeup) گویند . برای این منظور در صورت امکان از آب رودخانه استفاده کرد یا فاضلابها را تا حد امکان صاف و تصفیه کرده و استفاده نمود . هنگامیکه از نظر فضای ساختمان برج خنک کننده محدودیتی وجود داشته باشد ظرفیت برج خنک کننده راتا حد امکان با استفاده از بادبزنهای مخصوص و بزرگی اضافه می نمایند. این بادبزنها مقدار عبورهوای خنک کننده در داخل برج را زیاد می نماید
عوامل مؤثر در طراحی برجهای خنک کننده
عوامل مؤثر در طراحی برجهای خنک کننده را بطور خلاصه می توان بصورت زیر بیان کرد :
۱. میزان افت درجه حرارت (اختلاف دمای ورودی وخروجی برج)
۲. اختلاف بین درجه حرارت آب سرد و درجه حرارت مرطوب هوا
۳. دمای مرطوب محیط : اصولاً خنک کردن آب زیر این دما غیر ممکن است
۴. شدت جریان آب
۵. شدت جریان هوا
۶. نوع آکنه های برج
۷. روش پخش آب
به تجربه ثابت شده است که برای هر ۱۰ درجه فارنهایت افت دما در برج خنک کننده میزان تبخیر در حدود یک درصد کل آب در حال گردش می باشد چون نمک های کلرور حلالیت زیادی دارند غلظت یون کلر در آب ورودی به برج وآب در حال گردش راهنمای بسیار خوبی برای تعیین غلظت بوده و بنابراین همیشه باید آنرا بازدید و بررسی نمود افزایش غلظت مواد محلول و مواد معلق در آب در حال گردش در برج خنک کننده ایجاد اشکال می نماید که برای جلوگیری از افزایش غلظت مواد محلول و مواد معلق مقداری از آب در حال گردش را تخلیه می کنند که این آب در صنعت به زیر آب (Blow down) معروف است . مقدار آب برج همچنین ممکن است تصادفی یا بوسیله باد تقلیل یابد . اصولاً در برجهای خنک کننده مقداری آب بصورت گرد درآمده و توسط باد یا کشش از برج خارج می شود .
مقدار تخلیه لازم در یرج برای کنترل مواد محلول و معلق مجاز را می توان از رابطه زیر بدست آورد
M=(B+W)*C
که در رابطه فوق
B : مقدار زیر آب بر حسب gal/hr یا m3/hr
E : مقدار آب تبخیر شده بر حسب gal/hr یا m3/hr
C : ضریب غلطت پیشنهاد شده برای برج
W : مقدار آبی که توسط باد خارج می شود بر حسب gal/hr یا m3/hr
مقدار آبی که باد همراه خود از برج خارج می سازد در رابطه بالا منفی است ،زیرا آب مواد محلول و معلق را نیز با خود می برد . بنابراین تاثیر در غلظت و بالا بردن املاح آب ندارد .
مقدار آب لازم جهت آب کسری برج از رابطه زیر بدست آورد :
MAKE UP = E +B +W
اطلاعاتی که از طرف خریداران در اختیار فروشندگان قرار می گیرد در طرح برج اهمیت فراوانی دارد . مانند اختلاف دما ، مقدار آب در حال گردش ،مقدار زیر آب کمبود آب در اثر تبخیر و باد را با استفاده از رابطه های بالا بررسی می کنند .
انواع سیستمهای خنک کننده
الف: سیستم های خنک کننده تر: WET COOLING SYSTEM
۱-سیستم خنک کننده باز
۲-سیستم خنک کننده بسته
۳-سیستم خنک کننده ترکیبی
ب: سیستم های خنک کننده خشک : DRY COOLING SYSTEM
۱-سیستم خنک کننده خشک مستقیم
۲-سیستم خنک کننده خشک غیر مستقیم
۳-سیستم خنک کننده ترکیبی
سیستم خنک کننده باز ONCE THROUGH SYSTEM
در محیطی که آب فراوان است محل های نزدیک دریا یا رودخانه آب را به وسیله پمپ از یک طرف وارد سیستم های مبدل حرارتی (HEAT EXHCANGERS) نموده و از طرف دیگر خارج می گردد. آب درمحل عبور خود با جسم داغ تبادل گرما کرده و دوباره وارد رودخانه یا دریا می گردد.
بنابراین آب گرفته شده از دریا مجددا به دریا باز می گردد و عمل تبخیر بر روی آن صورت نمی گیرد یعنی آب دارای مواد حل شده و معلق ثابتی است لذا ایجاد رسوب بر روی لوله های کندانسور نمی نماید اما به دلیل داشتن مواد معلق زیاد باعث خوردگی از نوع سائیدگی (ERROSION CORROSION) می گردد برای جلوگیری از سائیدگی درون لوله باید در داخل لوله های خنک کننده با ایجاد محافظ که با تزریق سولفات آهن FESO4 محقق می گردد اقدام نموده و سپس توسط گلوله های اسفنجی که به وسیله پمپ در داخل لوله ها ارسال می شود قطر مورد دلخواه استاندارد را در آن ایجاد و زیادی آن را کنده و از محیط خارج کرد.
در مناطق کم آب ، آبی که به عنوان واسطه حرارتی در سیستم ها عمل می کند حرارت را جذب کرده ، دور ریخته نمی شود ، بلکه مجدااز آن استفاده می نمایند. بنابراین آب را وارد سیستمی به نام برج های خنک کننده (COOLING TOWER) کرده و پس از سرد شدن مجدا وارد مبدل های حرارتی می نمایند.
سیستم خنک کننده ترکیبی بازو بسته (COMBINTION COOLING SYSTEM)
این سیستم بیشتر درمحیط هایی که در فصل تابستان سطح آب رودخانه پایین آمده و برج با کمبود تغذیه مواجه می شود استفاده می شود .
انواع سیستم های خنک کننده تر:
الف) استخرهای خنک کن
استخرهای خنک کن ساده ترین سیستم های خنک کننده با ابعاد زیاد بوده که آب گرم توسط لوله ای وارد آن شده و در اثر تماس با هوای محیط حرارت خود را از دست داده و آب خنک کننده از بالاترین قسمت استخر به سیستم مبدل حرارتی برگشت داده می شود با این عمل زمان ماندن آب در استخر زیاد شده ، در نتیجه آب زمان بیشتری را در معرض هوا قرار می گیرد و لذا تبادل حرارتی بهتر صورت می گیرد و همچنین ممکن است آب گرم به صورت آب پاش و قطره قطره وارد استخر گردد. با این عمل سطح برخورد آب گرم با هوای محیط درزمان ریزش زیاد شده و قسمتی از آب در اثر برخورد با هوا تبخیر شده و در اثر این عمل بقیه آب در حال ریزش خنک می گردد و در نتیجه راندمان آن از استخر اولیه بهتر است. در چنین سیستم هایی بایستی در طراحی حصارهایی جهت جلوگیری از انتقال آب به وسیله باد در نظر گرفته شود ، در بعضی از سیستم های قدیمی که حصار در طراحی بکار گرفته نشده است ، صدمات زیادی به سیستم هایی که در جوار استخر قرار گرفته اند وارد کرده است. تجربه ثابت کرده است که وقتی رطوبت هوای ساکن دریک نقطه افزایش یابد آب کمتر تبخیر شده و در نتیجه آب گرمی که از سیستم مبدل حرارتی جهت خنک شدن وارد محیطی که دارای هوای مرطوب است گردیده و دیرتر خنک می شود ،نتیجه انکه اگر هوا از طریقی به حرکت درآورد تا هوای خشک جانشین هوای مرطوب شود، راندمان سیستم خنک کننده به مراتب افزایش می یابد.
ب) برجهای با کوران طبیعی
هوا به طور افقی یا به طرف بالا متناسب با جهت ریزش آب جریان یافته و حرارت را از آب می گیرد . در این سیستم وقتی که آب گرم وارد برج می گردد ، محیط داخل برج گرم شده در نتیجه حجم هوای داخل آن افزایش می یابد و رقیق می گردد که در این صورت هوای محیط بیرونی برج با فشار حدود یک اتمسفر موجب جریان خود به خودی در اثر اختلاف فشار هوای داخل برج و هوای بیرون برج می گردد . یک نوع از برج فاقد (PACKING) بوده و فقط تعداد زیادی سوراخ های پخش کن آب تعبیه شده است . نوع دیگر آن دارای بند و بست های چوبی یا پلاستیکی بوده که راندمان بهتری را به وجود می آورند .در ضمن این برجها خیلی بلند و باریک بوده و پمپ هایی با فشار زیاد جهت پمپاژ آب در بالای برج مورد استفاده قرار می گیرد . افت دمای آب بستگی به سرعت وجهت جرکت باد دارد . لذا برج ها باید در محلی احداث گردند که مانعی در جهت وزش باد وجود نداشته باشد . برجهایی با کشش طبیعی هذلولی یا تنوره ای موجود است که جریان هوا در جهت عکس جریان آب به طرف شبکه های چوبی در برج حرکت کرده و باعث خنک شدن آب می گردد، این برج ها در آب و هوای خشک وگرم مورد استفاده قرار نمی گیرند، زیرا درجه حرارت آب ورودی به برج باید از درجه هوای محیط بیشتر باشد.
ج) برج ها با کوران القائی:
در این نوع برجها هوا توسط بادبزنی که در برج قرار گرفته برقرار می شود . در برج ها با کشش مکانیکی پمپ ها با فشار کم مورد نیاز است و برای احداث آن تشخیص جهت باد اجباری نیست.
انواع برجها با کشش مکانیکی
۱) برج های دمنده : (FORCE DRAFT COOLING TOWER)
در این نوع برجهای خنک کننده بادبزن های مکانیکی (فن ها) جریان هوا را در برج برقرار می کنند محل آن ها در قسمت ورودی هوا و در سطح زمین بر روی بتن استقرار یافته اند لذا لرزش آنها به حداقل می رسد.این فن ها هوا را به درون برج و سرتاسر بند و بست ها هدایت می کنند ولی هوا به طور یکنواخت در آن پخش نمی گردد و اطراف برج های خنک کننده دمنده کاملا بسته است.
مزایای برج های خنک کننده دمنده :
۱-تعمیر فن های آن راحت تر است.
۲-فن ها در مجاورت هوای گرم قرار نمی گیرند.
۳-سهولت و کم خرج بودن نصب آن .
۲) برج های مکنده : (INDUCEDDRAFT COOLING TOWER)
در این نوع برجها بادبزن ها در محل خروجی هوا از برج قرار گرفته اند و محل آن ها معمولا در بالای برج ها در بعضی مواقع در طرفین برج می باشد و هوا به طور یکنواخت در داخل برج پخش می شود .
مزایای برج های مکنده :
۱-لوله ها کمتر در معرض باران و برف و تگرگ قرار دارند.
۲-امکان مکیدن هوای گرم خروجی به داخل کمتر است.
۳-درجه حرارت سیال خروجی از تیوپ ها نزدیکتر به درجه حرارت هوای ورودی میشود.
ب:سیستم های خنک کننده خشک :(DRY COOLING SYSTEM)
امروزه ساخت این برج ها به سه دلیل رواج پیدا کرده است :
۱-چون در این برج ها آب تبخیر نمی شود و نیاز به اب افزایشی ندارد، در محل هایی که آب کافی ندارند به کار می رود .
۲-به دلیل آنکه برج دارای محیط بسته است موجب آلودگی محیط زیست نمی گردد.
۳-در محیط هایی سرد به کار بردن برج تر مشکلات عدیده ای را سبب می شود که ترجیحا از برج خشک استفاده می شود .
مواد به کار رفته در ساختمان برج ها :
الف) چوب: چوب هایی که در برج ها به کار برده می شوند شامل: (RED WOOD) نوعی چوب اروپایی می باشد که از درخت ماموت به دست می آید و نوع دیگر چوب قرمز مایل به زردی است که از درخت همیشه بهار که در غرب آمریکا می روید تهیه می شود و به DOUGLAS معروف است البته امزوزه از انواع چوب هایی که در جنگلهای هند نیز می روید می توان استفاده کرد. چوب ها به صورت الوار مورد مصرف می باشد و در ساختمان چوب موادی مانند سلولز، همی سلولز، لیکنین و مواد استخراجی نظیر اسید چرب ، قطران، اسید استیک، وکربنات وجود دارد و با توجه به اینکه این چوب ها درمحیط آبی کار می کنند، جهت حفاظت آنهادر مقابل ورم کردن، حمله میکرو ارگانیزم ها و غیره بایستی آنها را توسط بعضی از مواد شیمیایی اشباع نمود . مثلا بعضی از چوب ها را در داخل مایعاتی نظیر کرومات های سدیم یا پتاسیم غرق کرده و ان را در داخل تانک های تحت فشار ۱۰-۷ اتمسفر قرار داده و این مواد به داخل مغز چوب نفوذ کرده و یک لایه نیز سطح خارجی آن را می پوشاند ولی چوب های برج های خنک کن را بیشتر توسط کروزوت و مازوت اشباع می نمایند و هر چه مقدار ماده کروزوت بیشتر باشد عمل اشباع مرغوبتر است . برج هایی که از چوب ساخته شده اند نگهداری بدنه آنها در زمان توقف به خصوص در فصل تابستان حائز اهمیت می باشد زیرا گرمای زیادی باعث ترک خوردگی چوبها می شود بنابراین آب پاشی قسمت چوبی برج ضروری است.
البته در طراحی برای بعضی از برج ها پمپی جهت پاشش آب در نظر گرفته می شود که در زمان توقف برج وارد سرویس شده و آب را به بدنه برج تزریق می کند. اگر پاشش اب در هوای گرم صورت نگیرد با توجه به اینکه چوب های آغشته به کروزوت و مازوت (که هر دو از جنس روغن) هستند و تنوره برج که در بالاترین ارتفاع برج قرار گرفته که فن در آن نصب گردیده نقش دودکش را بازی می کند. کوچکترین جرقه آتش می تواند برج عظیمی را در مدت ۱۵-۱۰ دقیقه به آتش کشیده و جز ستون های بتونی و آهنی چیزی در برج باقی نگذارد، لازم به تذکر است که وقتی باکتری های بی هوازی در لجن های حوضچه ته برج رشد می کنند مواد الی را به گاز متان ، آب و انرژی تجزیه می کنند.
گازمتان متصاعد شده همراه با انزژی حرارتی حاصل شده در شرایط گرمای تابستان خود به خود باعث شعله ور شدن برج خنک کننده می گردد که افراد نا آگاه ممکن است آتش سوزی را عمدی تلقی کنند در حالی که عامل اصلی میکروارگانیزم ها هستند.
علت اینکه در برج های خنک کننده چوبی PH آب برج را بایستی بین ۸-۷.۵ تنظیم کرد این است که در PH بالای ۸ ماده (LIGNIN SULPHONATE) حاصل شده و از ساختمان چوب جدا می گردد و چون این ماده رشته های سلولز چوب را به هم محکم کند با حل شدن آن مقاومت چوب از بین رفته و چوب پوسته پوسته شده و از ساختمان برج جدا می گردد.
علت به کار بردن چوب در برج ها را می توان به شکل پذیری، عایق بودن ،ارزانی ، دردسترس بودن وتر شدن آن ربط داد.
ب) آلومینیم: آلومینیم آندی شده در برج های خنک کننده مورد استفاده قرار می گیرد . آلومینیم میل ترکیبی شدیدی با اکسیژن داشته و تولید اکسید آلومینیم می نماید که در شرایط ۱ اتمسفر بسیار مقاوم است.
زیرا اکسید آلومینیم دارای خلل و فرج بسیار ریز بوده و از نفوذ اکسیژن کاملا ممانعت به عمل می آورد . به همین دلیل میزان خوردگی آلومینیوم به مرور زمان به شدت کاهش می یابد.
از آنجا که آلومینیوم یک فلز آمفوتر است در PH=4 خورده شده ، در PH=6 خوردگی آن کاهش می یابد و مجدد در PH=9 خوردگی دوباره شدت پیدا می کند. بنابراین برجهایی که از آلومینیوم تهیه شده اند باید PH=6.5-7.5 و آب آنها بدون یون باشد و تزریق اکسیژن جهت فیلم AL2O3 مورد استفاده قرار گیرد.
عمده ترین خوردگی که در آلومینیوم حاصل می شود خوردگی حفره ای (PITTING) می باشد به طوری که اگر آلومینیوم در محلولی که حاوی بیش از ۱۵۰PPM کلرو قرار بگیرد به راحتی دچار خوردگی حفره ای می گردد. همچنین آلومینیوم در محلول حاوی یون های مس، به راحتی مورد هجوم خوردگی حفره ای واقع می شود . آلومینیوم در تماس با مس، برنج، برنز، در الکترولیت های مناسب نیز خورده می شود.
پ) فولاد نرم گالوانیزه : جنس این فلزها از استیل بوده و دارای پوششی از روی است . روی تحت اثر عوامل محیطی اکسید شده و فیلم نرم و چسبنده ای که در آب های یک اتمسفر غیر قابل حل می باشد بر روی آن ایجاد می شود روی دارای انرژی پتانسیل بیشتری از فولاد است و لذا باعث محافظت کاتدیک می گردد. معمولا عمر فین تیوب هایی که در برج به کار برده می شود به عوامل زیر بستگی دارد .
۱-ضخامت لایه روی
۲-ترکیبات هوای محیط صنعتی
۳-زمان
در مدار آب و بخار برج های فولادی اگر از تشکیل یون ++Fe جلوگیری یا به حداقل برسد از به وجود آمدن یون های +++Fee جلوگیری می شود. برج هایی که آب تغذیه آنها بیش از ۱۵۰PPM کلرو داشته باشد برای مصرف فولاد مناسب نبوده و دچار خوردگی می گردد. فولاد نرم جهت لوله های آب و یا فن های برج مورد استفاده قرار می گیرند . و دچار خوردگی می شوند.
ت) پلاستیک : در ساختمان برخی از برج ها به خصوص بند و بست های برج از انواع مختلف پلاستیک استفاده می شود نظیر برج های خنک کننده HAMON که فقط دارای شبکه های پلاستیکی است و قسمت بالای آن از یک ردیف ایرانیت های بازیابی آب توسط هوا ساخته شده است . برج های خنک کننده ایستگاه های تقویت گاز بیشتر از این نمونه هستند.
ساختمان برج های خنک کننده
برج های خنک کننده از قسمت های زیر تشکیل شده اند :
۱-حوضچه های بتنی (BASIN) : حوضچه که در کف برج قرار گرفته و آب پس از خنک شدن در آن جمع شده و کسری آب برج (MAKE UP) نیز در آن تزریق می گردد .در بعضی از سیستم ها مواد ممانعت کننده (INHIBITOR) هم در این ناحیه به برج اضافه می شود . در بعضی از برج ها شیر تخلیه در کف حوضچه قرار گرفته و به صورت سیفونه مواد معلق ومواد محلول را از برج به بیرون حوضچه تخلیه می کند. حوضچه برج بهترین جا جهت ایجاد میکروارگانیزم های هوازی و بی هوازی ولجن به شمار می رود و وقتی که برج مدتی از مدار خارج شده باشد بوی تعفن از آن به مشام خواهد رسید . در حوضچه های خیلی عمیق نظیر حوضچه های برج های خنک کننده نیروگاه پس از متوقف نمودن واحد جهت تعمیر سریعا با یک پمپ لجن کش مبادرت به خروج لجن های کف برج نموده و پمپ های گردش C.W.P CIRCULATING WATER PUM آب خنک شده برج را وارد مبدل های حرارتی می کنند چون این پمپ ها تولید جریان متلاطم می کنند بعد از این پمپ ها محل تزریق مواد شیمیایی به آب برج می باشد به همین دلیل (TURBELANCE) بهترین جا جهت کم کردن مواد معلق و C.D.S نیز بعد از این پمپ ها می باشد.
در بعضی از برج ها خنک کننده شیر تخلیه را از آب خروجی مبدل های حرارتی می گیرند تا رسوب و موادمعلق حاصل وارد برج نگردد. این طرح چندان مناسب به نظر نمی رسد زیرا بلودان بایستی از آب قبل از ورود به مبدل گرفته شده تادر اثر درجه حرارت رسوب در آن ایجاد نشود .
۲-لوله ها : آب سرد حوضچه برج را به وسیله C.W.P ها به مبدل های حرارتی و آب گرم شده را از مبدل های حرارتی به توزیع کننده آب در برج انتقال می دهند.
۳-توزیع کننده : آب برگشتی از مبدلهای حرارتی از بالا وارد برج گشته از آنجا به چند شاخه تقسیم و به وسیله باز نمودن ولو مربوطه به توزیع کننده آب وارد حوضچه فوقانی برج می گردد.
۴-حوضچه های فوقانی : برج که معمولا از تخته های الوار ساخته شده و دارای سوراخ های بی شماری بوده که در درون آن پلاستیک های پروانه ای شکل تعبیه شده است تا پخش آب روی بند و بست ها ی داخل برج به نحو مطلوب انجام شود این حوضچه به علت قرار گرفتن در معرض هوا نقش یک استخر خنک کننده را ایفا می کند.
راههای مختلف جهت پخش آب بر روی بندوبست های درون برج وجود دارد که شامل موارد زیر میشود
الف:استفاده از سرپوش ها که آب را در جهت مختلف از بالا به پایین یا بالعکس در روی بند و بست های برج پخش می کنند.
ب:استفاده از لوله های سوراخ دار.
پ:استفاده از تانکهای سوراخ دار پخش کن آب .
۵-ستون های برج (COLUMN) : ستون ها آهنی یا بتونی بوده باعث محکم نگاه داشتن بندو بست های برج و ساختار برج می گردند. تسمه ها نیز در ساختمان برج به کار گرفته می شود که ستون های آهنی و غیره را مستحکم می نمایند.
۶-بادگیرها (LOUVER) : بادگیرها از تخته یا ایرانیت یا غیره بوده که به صورت مورب در قسمت های خارجی برج قرار گرفته واز این طریق است که نسبت آب به هوا که بایستی بین ۵/۱-۷۵/۰ باشد برقرار می گردد. به عبارت دیگر نفوذ هوا به داخل برج توسط بادگیرها انجام پذیر بوده که با تنظیم زاویه آن ها می توان نفوذ هوا در داخل برج را کنترل نمود.
۷-تخته های بازیابی آب (DRIFT ELIMINATOR) : بازیاب آب از تخته یا ایرانیت یا آزبست یا غیره است که جلوی فرار آب توسط هوا را گرفته و مانع خارج شدن آب از برج می گردد. هر گاه ریزش قطعات آب در برج خنک کننده پدید آید نشانگر خرابی بازیاب یا تغییر زاویه آنها می باشد. در بعضی از برجهای مکنده ودر تمام برجهای دمنده تخته های بازیابی آب در بالای برج قرار گرفته است ولی در برج های مکنده بزرگ به ازاء هر ردیف از تخته های پخش کننده یک ردیف تخته بازیابی قرار گرفته است .
۸-تخته های پخش کننده آب :
الف: SPLASH PACKING و SPLASH BAR که آب را به صورت قطره درآورده و از سرعت سقوط آب جلوگیری می کنند یعنی زمان برخورد آب با هوا زیاد شده و در نتیجه آب بهتر خنک می شود و به عبارت دیگر هر چه سرعت سقوط آب کمتر شود برخورد آب با هوای ورودی بیشتر می شود.
ب:FILM PACKING: سطح وسیعی ازآب را روی تیغه ها به وجود می آورند به شرح زیر :
۱-GRID PACKING سری هایی از شبکه های چوبی که بوده توزیع آب را بر عهده دارند .
۲-RANDOM PACKING تخته های نامنظمی هستند که با ایجاد مقاومت در مقابل جریان هوا آب را خنک می کنند.
۳-PLATE TYPE FILM PACKING از صفحات پلاستیکی چین دار تشکیل شده اند با زاویه کمتر از ۹۰ درجه ، کمتر از سطح افق در داخل برج قرار گرفته اند و چین هایی روی این صفحات پلاستیکی در برج های HAMUN زیاد مورد استفاده قرار می گیرند و در برخی از برج های HAMUN تیغه های بازیابی آ ب را نیز از جنس پلاستیک تهیه نموده اند .
عوامل موثر در خنک کردن برجهای خنک کننده به شرح زیر است
۱-سطح تماس آب و هوا
راندمان برج ها را با تبدیل هر چه بیشتر آب به قطرات ریز آب و سطح تماس بیشتر آب با هوا افزایش می دهند.
۲-سرعت آب
اگر سرعت آب را بتوان کاهش داد تا با هوای بیشتری در تماس قرار گیرد، راندمان خنک کننده افزایش پیدا می کند . این عمل توسط تخته های پخش کننده آب عملی می شود نقش مجموعه این تخته ها اعم از SPLASH BARیا FILM PACKING و غیره در برج های خنک کننده جلوگیری از سرعت ریزش آب است.
در چنین شرایطی آب با هوا تماس بیشتری داشته و در نتیجه تبادل حرارتی آن بیشتر می شود و بر این اساس در طراحی ها در محیطی که درجه حرارت آب خروجی از برج و درجه حرارت هوای ورودی به برج نزدیک باشد ارتفاع برج را بلندتر اختیار کرده تا از سرعت سقوط آب کاسته شود تا آب در نتیجه تماس با هوا خنک گردد. در چنین وضعیت قیمتهای برج ها حدود ۷۰۰-۶۰ درصد بیشتر از برج هایی است که در محیطی قرارگرفته اند که اختلاف درجه حرارت آبی خروجی از برج ودرجه حرارت هوای ورودی به برج زیاد می باشد.
۳-سرعت جریان هوا
اگر سرعت دمیدن هوا در داخل برج زیاد باشد مقداری از آب را همراه خود برده و اگر سرعت کم باشد آب را به خوبی خنک نمی کند. معمولا نسبت L/G یعنی نسبت آب به هوا را در برجهای خنک کننده حدود ۵/۱ –۷۵/۰ پاوند در ساعت در نظر می گیرند.
تنظیم سرعت هوا در داخل برج به وسیله بادگیرها (LOUVERS) که می توان زاویه آنها را کم یا زیاد نموده و همچنین توسط تغییر زاویه پره های فن دمنده یا مکنده هوا انجام می گیرد.
۴-اختلاف درجه حرارت آب خروجی و هوای ورودی .
۵-رطوبت هوا هر چه بیشتر باشد راندمان خنک شدن برج پایین می آید .
۶-روش پخش آب
نقش شیمیست در قسمت آب :
آب مورد استفاده برای سیستم های خنک کننده از جمله نیازهای عمده بسیاری از صنایع است و لذا تصفیه و تهیه آب مطابق استاندارد برای هر واحدی از جمله نیازها در صنایع می باشد. با همه تدابیر به کار گرفته شده در تصفیه آب ها و به دست آوردن آب مورد نیاز در صورت عدم کنترل پیامدهایی از قبیل چهار مورد ذکر شده زیر را دنبال دارد .
۱-خوردگی (CORROSION) و فرسایش.
۲-تشکیل رسوب (SCALE)
۳-مشکلات ناشی از تشکیل میکروارگانیزم ها.
۴-تجمع لجن ها (FOULING)
برای جلوگیری از این پیامدها و مشکلات به خصوص خوردگی و رسوب دهی باید تا حد ممکن از سختی آب مورد استفاده در برجهای خنک کننده و سایر قسمت ها کاسته شود .
سختی آب و انواع آن:
آبی که شامل املاح کلسیم و منیزیم و آهن باشد راآب سخت می گویند.
انواع سختی :
الف)سختی موقت که شامل سختی بی کربنات می باشد که در اثر درجه حرارت از آب جدا شده و به صورت رسوب بر روی جداره می نشیند.
ب)سختی دائم که شامل کلرور و سولفات های کلسیم ومنیزیم می باشد که در اثر درجه حرارت از بین رفته اما در دیگ های بخار که آب در آنها بخار شده و یون های کلسیم و منیزیم با آنیون های فوق به حالت اشباع می رسند وتولید رسوب سر نیزه ای CaSo4 می کنند که در صورت گرم شدن بیش از حد فلز رسوبات مذکور داخل شبکه های فلزی شده و باعث از بین بردن آن می گردد.
ج)سختی کلسیم CAH , CAL CIUM HARD NESS که مربوط به سختی کلسیم موجودر در آب است .
د)سختی TH , TOTAL HARDNESS به مجموع سختی کلسیم و منیزیم گفته میشود.
رشد میکروارگانیسم ها در سیستم برج های خنک کننده :
۱)آب برج دارای حرارت مطلوب جهت رشد میکروارگانیسم ها وموجودات آبزی است. یعنی در حد درجه حرارت مزوفیلیک و مناسب ترین درجه حرارت برای رشد این موجودات می باشد.
۲)برجهای خنک کن در مقابل نور خورشید ، هوا و آب قرار گرفته است ، که این عوامل را مثلث تکثیر می گویند.
۳)مواد فسفاته تزریق شده در برج و نیز مواد معدنی و آلی دیگر نیز دارای غذای مناسبی برای موجودات در آب برج است . جنس محیط کاملا جهت رشد و نمو آنها آماده است . به خصوص در فصل تابستان رشد میکروارگانیسم ها و جلبک ها مشکلات فوق العاده زیادی را موجب می گردد به طوری که جلبک ها در بستر فوقانی برجهایی که بیشتر در معرض نور خورشید قرار دارند از آنچنان رشدی برخوردار هستند که آن قسمت را به شکل سبز رنگ در می آورند.
خسارتهای حاصل از جلبک ها در برج خنک کننده :
۱-باعث مسدود شدن سوراخ های آب پخش کن بستر فوقانی برج شده و مانع ریزش آب به صورت اسپری روی بند و بست های چوبی می شود و راندمان برج را از نظر خنک کردن آب کم می کند.
۲-جلبک ها قادرند به دیواره چوب ها چسبنده و شیارهای آن را مسدود کنند که در اثر آن مسیر آب و مسیر هوا در برج تغییر می کند.
۳-جلبک ها به وسیله آب کند شده ، وارد مسیر می گردند و گرفتگی صافی ها و توری های بستر تحتانی برج را سبب شده و کار آبدهی را مختل می نمایند.
۴-جلبک ها قادرند وارد لوله های مبدل ها حرارتی شده و با مواد معلق محصولات ، خوردگی لایه ای در داخل لوله ایجاد می نمایند که تبادل حرارتی را کم کرده و در نتیجه راندمان سیستم HATE EXCHANGER را کاهش می دهد و اگر این سیستم کندانسور باشد افت خلاء را سبب می شود.
۵-مقدار بیش از حد جلبک ها می تواند بر پره C.W.P (پمپ های گردشی ) چسبیده و باعث افزایش آمپر مورد نیاز پمپ می شود .
۶-جلبک های مرده ممکن است درداخل مبدل های حرارتی جمع شده و منبع تغذیه سایر میکروارگانیزم ها را فراهم کنند و ازاین گذشته با رسوبات ومحصولات خوردگی توام شده و سطح داخلی لوازم را بپوشاند و لذا باعث اختلاف در میزان اکسیژن درآن قمست شده و تشکیل پیل غلظتی در آن ناحیه را می دهد در نتیجه خوردگی حفره ای را موجب می شود.
۷-جلبک ها با عمل فتوسنتزی که انجام می دهند می توانند باعث خوردگی در سیستم گردند .
نگهداری برج های خنک کننده :
اگر در برج ، آبی که دارای بیوکربنات کلسیم و منیزیم باشد استفاده کنیم در اثر درجه حرارت به کربنات کلسیم و ئیدورکسید منیزیم غیر محلول تبدیل می شود . برای جلوگیری از ایجاد رسوب در جداره لوله های مبدل های حرارتی به آب برج خنک کن اسید سولفوریک تزریق می شود .
علت تزریق اسید این است که اگر بیکربنات های کلسیم و منیزیم در آب وجود داشته باشد آن را به سولفات کلیسم و منیزیم تبدیل می کنند که در آب برج محلول بوده و در اثر حرارت ایجاد رسوب نمی کند. بدین سان عمل پیشگیری انجام می شود ، یعنی قبل از اینکه بی کربنات ها وارد سیستم مبدل های حرارتی شده و رسوب ایجاد نمایند توسط اسید از مدار خارج می شوند و به صورت سولفات های منیزیم و کلسیم محلول در آب برج در می آیند . فرضا اگر بر اثر واکنش های انجام شده در برج رسوب در جداره داخلی لوله های مبدل های حرارتی به وجود آمده باشد اسید قدرت انحلال رسوب از سطح داخلی لوله ها را دارد. گاز Co2 حاصل از واکنش اسید ها در برج خنک کننده به وسیله هوا دهی از آن خارج می شود. فشار جزئی هوایی که از قسمت پایین در خلاف جهت ریزش آب ،با آب برخوردمی کند بیشتر از فشار جزئی گاز حل شده در آب برج بوده و کلیه گازهای محلول در آب را جدا و آزاد می کند پس اسید سولفوریک نقش درمان کننده را بر عهده دارد .
انتقال حرارت در سیستم های خنک کننده توسط نانو سیالها
در این مقاله سعی شده است از ابتدا , نقش نانو سیالها در صنعت و نقش آن در انتقال حرارت مورد بررسی قرار گیرد و در ادامه نگاهی خواهیم داشت