نام و نام‌خانوادگي نويسنده اول1، حسن بختیاری بهرامی- نويسنده دوم2، غلامرضا نادری
1 رتبه علمی نويسنده: کارشناس تکنولوژی شیمیایی و دستگاهی آزمایشگاههای فولادمبارکه و عضو فدراسیون جهانی مخترعین و پژوهشگر برتر استان اصفهان
h.bakhtiari583@gmail.com- www.hassanbakhtiari.com
2 رتبه علمی نويسنده : مدیرعامل شرکت دانش بنیان ایده پویان ارژن مستقر در شهرک علمی و تحقیقاتی اصفهان
3رتبه علمی نويسنده :
با همکاری و پشتیبانی : مدیریت محترم عامل، معاونت محترم تکنولوژی، واحد تحقیق و توسعه و واحد انرژی و سیالات شرکت فولادمبارکه اصفهان
کولینگ تاورهای بتونی که در صنایع مختلف برای خنک سازی جریان سیال (که معمولا آب )استفاده میگردد، این برج های خنک سازی برای کاهش دمای سیستم ها و تجهیزات خطوط تولیدی بکار برده میشوند ،که در جریان تولید گرما ایجاد مینمایند و برای کنترل دما این سیستم ها و تجهیزات نیاز به بکار گیری سیال خنک سازی کننده می باشد .در کولینگ تاورهای بتونی با استفاده از عبور جریان هوای محیط از میان سیال آب موجب کاهش دمای این سیال میشوند، ولی از طرفی با عبور جریان هوا ، بخشی از این سیال تبخیر و از حجم کل سیکل در گردش آب تحت کنترل در پروسه خنک سازی کسر میگردد.
در این مقاله با پروژه ساخت “سامانه بازیابی بخارات سرد کولینگ تاورهای صنعتی به روش غربال ملکولی (ملکولارسیو )” که به جهت ارتقاء سطح کیفی سیستم های کولینگ تاورهای بتونی که از رده مصرف انرژی بسیار پایینی برخوردار هستند و سالانه میلیونها متر مکعب آب را تبخیر می نمایند، آشنا میشوید.
همچنین این سامانه از هدر رفت میلیاردها دلار هزینه های مربوط به نگهداری، تصفیه و تامین آب جبرانی و بهره برداری از برج های کولینگ تاور که در صنایع بزرگ و کوچک استفاده میشوند و در نهایت هزینه های زیادی را به جامعه بشری تحمیل می کند ، جلوگیری می نماید.
در این سامانه برای اولین بار از روش غربال ملکولی گازی و با سرعت بالا به روش گریز از مرکز(سانتریفیوژ ها) برای جدایش ملکولهای شناور و اشباع شده آب در هوای خنک سازی عبوری این کولینگ تاورها استفاده گردیده است.
كلمات كليدي
کولینگ تاور- برج های خنک کننده- ملکولار سیو – غربال ملکولی- خنک کننده های صنعتی- مصرف بهینه آب-آب در صنعت
————————————————————
کولینگ تاور ها یا سیستم های برج خنک کننده صنعتی درطراحی خطوط تولید بیشتر صنایع از جمله صنعت فولاد ،سیستمی بنام برج های خنک کننده مسئولیت کاهش دما سیالات مورد استفاده برای خنک کاری ،روانکاری و کاهش دمای ماشین آلات را به صورت مستقیم و یا غیر مستقیم عهده دارند.
دسته بندی این سیستم های خنک کننده به دو دسته خشک و تر تقسیم بندی میشوند. و به دلیل مزایای امکان کاهش دمای بیشتر سیستم های خنک کننده تر نسبت به سیستم های خشک و علاوه بر آن هزینه ساخت پایین تر و ابعاد کوچکتر ،تمایل به استفاده از سیستم های خنک کننده تر خیلی بیشتر می باشد.
ازعمده ترین مشکلات سیستم های برج خنک کننده تر (کولینگ تاور ها) میتوان به عوامل زیر اشاره نمود:
در گزارشات بین المللی و داخل کشور ،اشاره به مشکلات این نوع از برج های خنک کننده شده است که تایید کننده موارد ذکر شده در بالا می باشد. و همچنین در گزارشاتی نیز با ابداع و پیشنهاد روش هایی سعی در کاهش درصدی تا حدود 5% از تبخیر آب شده است که نمونه ای از آن به پیوست می باشد.
در روش ابداعی برای اولین بار در جهان که گزارش فاز یک آن به پیوست میباشد ، با بکار گیری از سیستم ملکولار سیو (غربال ملکولی )که برگرفته شده از سیستم های سانتریفیوژ های گازی مراکز هسته میباشد، و با نصب در بخش خروجی برج های خنک کننده تر موجود درصنایع ، قادر به کاهش بسیار زیاد(تا بیش از 70%) جریان آب تبخیری این نوع سیستم ها خواهیم بود.
(به دلیل پتنت بودن امکان افشای جزییات عملکردی دستگاه تا مرحله انتقال تکنولوژی به صاحب امتیاز و خریدارجدید آن نخواهیم بود )
——————————-
مفاهیم و عبارات ها
مفاهیم و عبارات های بکار برده شده در این گزارش :
غربالهای مولکولی(Molecular sieve) : درسطح خارجی دانه های غربالهای مولکولی٬خلل وفرج بسیارکوچک درابعادچندآنگسترم(هرآنگسترم یکصدمیلیونیم سانتی متراست)وجوددارد.غربالهای مولکولی بااندازه های مختلف خلل وفرج آنها٬موارد استعمال متعددی دارندکه مهمترین آن جذب سطحی مولکولهای بااندازه های معین درخلل وفرج آنهاست.
اما در سیستم غربال ملکولی نوآورانه ما ، بصورت فیزیکی و با استفاده از قوانین فیزیک مورد استفاده درصنایع سانتریفیوژ های گازی و براساس وزن ملکولی ترکیبات بخارات آب در هوای خروجی کولینگ تاور استفاده گردیده است.
برج خنک کننده یا کولینگ تاور چیست ؟
برج خنک کننده یا به انگلیسی کولینگ تاور 🙁 Cooling tower) دستگاهی است که برای خنک سازی آبی که در فرآیندهای سردسازی سیستم های تهویه مطبوع ، نیروگاه ها، پالایشگاه ها و دیگر واحدهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد، به کار می‌رود .
دلایل استفاده از برج های خنک کننده تبخیری
این برج ها حرارت را نه تنها ازطریق حرارت محسوس، بلکه از طریق حرارت نهان انتقال می دهند.
حد گرمای نظری آن ها دمای لامپ تر (wet lamp temperature) می باشد که اغلب از یک مزیت 20 درجه ای یا بیشتر از آن نسبت به لامپ خشک برخوردار است.
تماس مستقیم بین هوا و آب وجود دارد. هیچ مانعی نظیر لوله های مبدل حرارتی بین هوا و آب وجود ندارد.
زمانی برج های خنک کننده در تجهیزات مبدل آبی ایده آل به شمار می رفتند.
به این ترتیب 3درصد آب در هر مرتبه خنک سازی مصرف می شد.
مقدار آب مورد نیاز برای دفع رسوبات جامد و مایعات (blowdown) [مثل زیراب زنی یا خروج رسوبات و مایعات مستقیماً از داخل بویلر یا از داخل فرایند]
این برج ها حرارت را نه تنها ازطریق حرارت محسوس، بلکه از طریق حرارت نهان انتقال می دهند.
حد گرمای نظری آن ها دمای لامپ تر (wet lamp temperature) می باشد که اغلب از یک مزیت 20 درجه ای یا بیشتر از آن نسبت به لامپ خشک برخوردار است.
تماس مستقیم بین هوا و آب وجود دارد. هیچ مانعی نظیر لوله های مبدل حرارتی بین هوا و آب وجود ندارد.
زمانی برج های خنک کننده در تجهیزات مبدل آبی ایده آل به شمار می رفتند.
به این ترتیب 3درصد آب در هر مرتبه خنک سازی مصرف می شد.
مقدار آب مورد نیاز برای دفع رسوبات جامد و مایعات (blowdown) [مثل زیراب زنی یا خروج رسوبات و مایعات مستقیماً از داخل بویلر یا از داخل فرایند]
هدر دهندگان اصلی آب در کولینگ تاور ها کدامین هستند؟
بخارات یکی از بزرگ ترین مصرف کننده آب در این سیستم می باشد.
بلودان (تخلیه آب با سختی بالای املاح ناشی از تبخیر) دومین مصرف کننده عمده آب در این سیستم میباشد.
دریفت یا راندگی یکی از کمترین مصرف کنندگان آب در این سیستم و خیلی زیاد کمتر از دو مصرف کننده بالا می باشد.
دقت کنید برای مثال: یک تاور خنک کننده با گردش 000/100 گالن (345 مترمکعب ) بر دقیقه و کاهش دمای 24 درجه ای فارنتهایت (11 درجه سانتی گراد ) نسبت آب گرم ورودی به آب سرد شده،موجب تبخیر تقریبی 2160 گالن(45/7 متر مکعب) آب در دقیقه میگردد.
بد نیست بدانید یک استخر شنا واحد مسکونی با ظرفیت 25000 گالن آب را میتوان در 12 دقیقه پر کند و با این جریان آب تبخیری در یک کولینگ تاور شما در یک ساعت 5 استخر با ظرفیت گفته شده را میتوانید پر نمایید .
مقدار آب مورد نیاز برای دفع رسوبات جامد و مایعات (blowdown)؟
مقدار آب مورد نیاز برای blowdown یا دفع مواد زاید و رسوبات (بلودان) به چرخه غلظت یا COC بستگی دارد.
چرخه غلظت عبارت است از تعداد دفعاتی که جامدات در مقایسه با جامدات موجود در آب جبرانی به غلظت (مورد نیاز برای blowdown) می رسند.
بلودان ممکن است دو سوم یا یک دوم یا کمتر از تبخیر باشد و این بستگی به غلظت بالایی دارد که سیستم شما می تواند تحمل کند.
بررسی های اولیه مطالعاتی و تحقیقاتی واندازه گیری های داخل سایت کولینگ تاور های
ایده استفاده از تکنولوژی ملکولارسیو در بازیافت بخارات خروجی کولینگ تاور ها
ملکولارسیو چیست؟
غربالهای مولکولی:
غربالهای مولکولی(Molecular sieve)ترکیبات جامدی هستندکه درصنایع جداسازی ترکیبات شیمیایی وعادی سازی گازها ازمقادیر جزئی بخارآب کاربرددارند(تولیدگازهای خشک درحدیک قسمت دریک میلیونppm))آب)غربالهای مولکولی بصورت دانه بندی های مختلف مانند دانه های کروی شکل ویااستوانه ای تولید میشوند.درسطح خارجی دانه های غربالهای مولکولی٬خلل وفرج بسیارکوچک درابعادچندآنگسترم(هرآنگسترم یکصدمیلیونیم سانتی متراست)وجوددارد.غربالهای مولکولی بااندازه های مختلف خلل وفرج آنها٬موارد استعمال متعددی دارندکه مهمترین آن جذب سطحی مولکولهای بااندازه های معین درخلل وفرج آنهاست.ترکیب غربالهای مولکولی ازجنس سیلیکات های سدیم وآلومینا (Sodium alumina silicate) بصورت بلوری شکل هستندکه بادرجات معین اندازه خلل وفرج تولید میشوند.
معرفی سیستم نوآورانه ” غربال ملوکولی بخارات آب
کولینگ تاور” :
آیا غربال ملکولی(ملکولار سیو ) در روش ما با دیگر روشهای موجود تفاوتی دارد؟
در روش جداسازی بخارات آب سیستم های کولینگ تاور به دلایل مختلف از جمله سرعت بالای هوای خروجی و میزان رطوبت و قطرات زیاد آب در جریان هوای خروجی کولینگ تاور ها ،امکان بکار گیری از روش های ملکولار سیو بکار گیری شده در صنایع ممکن نمی باشد.
ما با بکارگیری از الگوی جداسازی ملکولی نوآورانه در فرآیند های گازی که میتوانند با ایجاد فشار منفی و شرایط خاص گریز از مرکز مانند سیستم های سانتریفیوژ در مراکز هسته ای ، و بکارگیری از روشهای ساده سازی فرآیند برای قابلیت بکار گیری در سیستم های خروجی برج های کولینگ تاور توانسته ایم به ساخت تجهیز فوق دست یابیم.
نمونه یک به بیست ابعاد اصلی که برای آزمایشات نهایی عملکرد ساخته شده است
نمای بخش بیرونی سیستم ” یک بیستم “که در آزمایشات جداسازی ملکولهای بخارات آب از هوای خروجی بسیار موفق انجام وظیفه نموده و تاییدی بر امکان صنعتی سازی در اشل های واقعی مورد نیاز سلول های کولینگ تاور ، ارائه نمود.
لازم به ذکر است برای ساخت نمونه مقیاس اصلی ، به دلیل اینکه درحال حاضر امکان حذف تاج بتونی سل های کولینگ تاور امکان پذیر نمی باشد ، و موجب افزایش ارتفاع تا 8 متر بر روی تاج کولینگ میگردید.
با استفاده از روش طراحی جدید بخشی از اجزای داخلی این سیستم ” ملکولار سیو ” به بیرون از سیستم و امکان وارد شدن به داخل تاج کولینگ تاور( که در نقشه های ذیل نشان داده شده است) جهت جمع آوری و متمرکز نمودن هوای خروجی همراه بخارات کولینگ ، تغییر نمای شماتیک داده است.
تصاویری از سیستم ملکولار سیو در ابعاد اصلی طراحی شده که برای اجرا مرحله نمونه اصلی در حال ساخت می باشد.
استناد به مراجع محاسباتی دقیق گزارشات شرکت های تحقیقاتی امریکایی(پیوست یک ) که با کاهش هزینه های ذیل با استفاده از این روش نوآورانه جدید، میتوان ارزش سرمايه گذاري بر روی این روش را تاييد بنمايد:
سپاسگزاري
پس از حمد خداوند متعال که همه هستي مرهون لطف و رحمت اوست، لازم است از مدیرعامل محترم شرکت فولاد مبارکه اصفهان جناب آقای دکتر سبحانی ، معاونت محترم تکنولوژي جناب آقاي مهندس ارزانی، مدير تحقيق و توسعه جناب آقاي مهندس عباسی و کارشناسان محترم تحقيق و توسعه که با تلاش بي‌وقفه خود، کمک شاياني در پيشبرد پروژه نموده‌اند، تشکر فراوان خود را ابراز داريم.
