پیشگامان تاسیسات لوگو

کاهش مصرف انرژی در برج های خنک کن توسط موتورهای دور متغیر

مقالات1398/11/10

کاهش مصرف انرژی در برج های خنک کن توسط موتورهای دور متغیر

نوید ژیانی  

کارشناس ارشد مکانیک - عضو تخصصی سازمان اشری

در این مطلب به چگونگی کاهش مصرف انرژی در برج های خنک کننده با استفاده از موتورهای دور متغیر اشاره می- کنیم. چراکه در حالت سنتی انتخاب برج براساس بار ماکزیمم سرمایشی است و حال این سوال پیش می آید که با تغییرات بار ساختمان از بیشینه به کمینه، مصرف انرژی به چه صورت خواهد بود؟

در این بحث به موارد زیر اشاره خواهم شد:

1- ساختار یک برج خنک کن بهمراه فن

2- نحوه کارکرد سنتی سیستم و ارتقاء آن

3- اثر فن های دور متغیر در مبحث کاهش مصرف انرژی

 

ساختار یک برج خنک کن به همراه فن

در صنعت تاسیسات، برج های خنک کن به منظور خنک کردن آب کندانسور چیلرهای آب خنک بکار می روند. فن داخل برج، وظیفه حرکت دادن هوا را به منظور عمل تبخیر برعهده دارد تا گرمای آب را گرفته و آب خنک تر را از برج خارج کند (بحث ما در خصوص برج خنک تر یا برج مدار باز است). در ابتدا ساختمان یک برج را با هم بررسی می- کنیم. همانطور که در تصویر زیر نیز دیده می شود در بالای برج از فن اکسیال استفاده شده است که وظیفه کشیدن جریان هوا را از اطراف برج، به داخل برج و تخلیه آن را به صورت اگزازست پس از عمل تبخیر برعهده دارد. این هوای اگزازست به صورت هوای گرمتر از برج خارج می شود.

 

شکل زیر ارتباط موتور با فن و گیربکس را نشان می دهد که موتور توسط شفت بلندتری با گیرباکس درگیر است و شفت فن نیز زاویه عمود را با گیرباکس می سازد. بنابراین باید بتوانیم یک کنترل متناسب برای دو شفت فن و موتور ایجاد کنیم.

حال به نحوه عمل تبخیر که در برج انجام می شود اشاره ای می کنیم. آب گرم کندانسور توسط لوله هایی در بالای برج توزیع شده و سپس توسط نیروی گرانش تا قسمت پایین برج بر روی سطوح FILL PAK درحرکت است. FILL همان سطوح خنک کننده هستند و طوری طراحی می شوند که با تبدیل قطرات آب به قطرات کوچکتر، بیشترین سطح تماس آب و هوا را برای انتقال حرارت بهتر فراهم کنند.  

 

 

در این حالت فن برج، با کشیدن هوا به سمت بالا از میان قطرات آب عمل تبخیر را انجام می دهد و در نتیجه عمل تبخیر، آب خنک شده در قسمت BASIN از طریق لوله به سمت چیلر برمی گردد. این نحوه کارکرد ساده برج ها در حالت مدار باز است. همچنین بایستی کنترل بر روی کارکرد فن در برج ها وجود داشته باشد، چراکه برج ها براساس ماکزیمم بار سرمایشی ساختمان طراحی و سایز می شوند. از طرفی بار ماکزیمم ساختمان تنها در ساعات بسیار معدودی از سال اتفاق می افتد پس بایستی بتوانیم کنترلی متناسب با بار ساختمان برای فن برج داشته باشیم در غیراینصورت تنها انرژی را هدر داده ایم.

برای انتخاب این سیستم کنترلی می توان از تغییر دور موتور که با فن از طریق گیرباکس در ارتباط است استفاده کرد. با استفاده از چنین سیستمی، می توانیم به موارد ذیل دست پیدا کنیم که اهداف ما از این بحث خواهد بود:

1- کاهش مصرف انرژی بالا

2- کاهش مصرف آب

3- کاهش صدای برج

 

نحوه کارکرد سنتی سیستم و ارتقاء آن

در سیستم های سنتی که برای کنترل برج ها استفاده می شود موارد زیر دیده می شود.

1- استفاده از کنترل های ON/OFF

2- استفاده ازموتورهای دوسرعته

3- استفاده از فن های قابل تنظیم PITCH BLADE

اولین و ساده ترین سیستم کنترلی همان کنترلON/OFF  است که در برج ها استفاده می شود (این کنترل به FAN CYCLING نیز معروف است). برای این منظور از 2 پارامتر استفاده می شود که مشخص کننده پروفایل کارکرد برج هست.

1- بار

2- دمای تر محیط (WB)

تا مادامی که یکی از 2 پارامتر بالا تغییر کند، مقدار جریان هوای مورد نیاز عبوری از برج هم تغییر خواهد کرد. در این حالت، فن از درجه حرارت آب تشتک که از قبل ثبت شده دستور می گیرد. برای مثال مقدار درجه حرارت ماکزیمم روی 20 درجه سانتیگراد ثبت شده است. با بالارفتن درجه حرارت از 20 و مثلا رسیدن به 50 درجه سانتیگراد، فن وارد مدار شده و سپس با رسیدن دما مجداً به مقدار مینیمم، فن خاموش خواهد شد.

 

این سیستم کنترلی ON/OFF رایج ترین سیستم کنترل سنتی برای برج های یک خانه ای یا چند خانه ای است که هزینه نصب اولیه پایینی دارد اما در دراز مدت هزینه های تعمیرات نگهداری بالایی را به پروژه تحمیل می کند. از طرفی روشن و خاموش شدن های پی درپی می تواند باعث از بین رفتن موتور و ایجاد تنش در اجزای موتور مانند شفت و کوپلینگ ها گردد.

سیستم کنترلی دوم، استفاده از موتورهای2 سرعته بجای کنترل تک سرعته ON/OFF است که این هم جزو سیستم های سنتی رایج می باشد. کارکرد این سیستم تا حدودی مشابه سیستم اول است اما از سیستم اول گرانتر است و دارای اندکی کاهش مصرف انرژی در ازای کاهش بار سرمایش در برج هست.

سیستم کنترلی سوم استفاده از فن های قابل تنظیم  PITCH BLADE است. در این سیستم با تغییر دادن شیب پره های فن، قادر خواهیم بود جهت کنترل درجه حرارت و انتقال حرارت از میزان هوای معینی برای عبور استفاده کنیم. این نوع فن ها دارای کنترل بسیار دقیق تری روی درجه حرارت هستند اما مکانیزم تنظیم پره های فن در این سیستم بسیار گران است و در مواردی باعث ایجاد هزینه های نگهداری می شود که اگر مورد توجه قرار نگیرد باعث ثابت ماندن پره های فن می گردد.

استفاده از موتورهای دور متغیر در ساختمان برج های خنک کننده

هدف اصلی در اینجا اینست که آب را با درجه حرارت ثابت به کندانسور چیلر برگردانیم. همانطور که قبلا نیز گفته شد، آب از کندانسور چیلر با دمای بالا از طریق لوله هایی وارد بخش بالایی برج می شود و از طریق سیستم توزیع و یا اسپری کردن، بر روی FILL pack ریخته و به قسمت پایینی برج می رسد. در این حالت برای کنترل دور موتور فن می توانیم از یک دستگاه VFD استفاده کنیم که فرمان ورودی را براساس درجه حرارت آب برگشتی از برج می گیرد و براساس آن دور موتور را تغییر می دهد. در این حالت از یک سنسور در بخش BASIN استفاده می شود که درجه حرارت آب برگشتی را می خواند.

نحوه عملکرد سیستم

فرض کنیم که درجه حرارت خوانده شده از تشتک بالاتر از مقدار ست پوینت تعیین شده باشد (مثلا 50 به جای 20 درجه سانتیگراد). در این حالت دستگاه VFD با فرمانی که به موتور ارسال می کند، دور فن را متناسب با تغییرات درجه حرارت زیاد می کند و تا مادامی که درجه حرارت به ست پوینت برسد، مقدار این دور توسط VFD به تدریج کم می شود.

با توجه به اینکه انرژی با توان سوم سرعت در قوانین فنها در ارتباط است، پس حتی با اعمال تغییرات کم در دور فن، کاهش مصرف انرژی بالایی به دست خواهد آمد. از طرفی با توجه خاموش و روشن نشدن یکسره فن به مانند سیستم ON/OFF ، موتور و اجزای آن تحت تنش های مکانیکی نبوده و عمر بیشتری خواهند داشت. برای مشخص کردن مقدار کاهش مصرف انرژی بدست آمده، ابتدا بایستی نموداری براساس بارهای مورد نیاز و پروفایل زمانی آنها ترسیم کنیم. در شکل زیر پروفایل بارها همان مقدار جریان مورد نیاز برای تامین بار سرمایش ساختمان است که در محور افقی نشان داده شده است و می تواند برای روز، ماه و یا سال درنظر گرفته شود. همانطور که در شکل دیده می شود برج بایستی در تمام ساعات کارکرد چیلر، عمل هیت رجکشن را انجام دهد حتی در میان باری ها.

 

بنابراین با استفاده از یک دستگاه VFD و موتور دور متغیر در برج قادر خواهیم بود مقدار انرژی مورد نیاز برای خنک کردن آب را در شرایط مختلف، تغییر دهیم. جدول زیر نیز مقدار انرژی مصرفی برج را در حالت کنترل سنتی ON/0FF در مقایسه با سیستم دور متغیر نشان می دهد و بخش زرد رنگ نشان دهنده مقدار کاهش مصرف انرژی بین دو سیستم است.

 

توجه داریم که در این سیستم نیز بمانند سیستم سنتی، حداقل دور گیربکس موتور نباید از 30% دور کل کمتر شود. استفاده از این سیستم کنترلی دارای یک مد SLEEP نیز است. بدین معنا که اگر دمای آب تشتک به ست پوینت برسد، فن کاملا خاموش می شود که باعث عمر بیشتر فن می گردد.

مزیت دیگر این سیستم استفاده از نوعی بای پس برای فرکانس کاری موتور هست. در سیستم های سنتی، گاهاً بنا به دلایلی فرکانس های تشدید شونده ای برای موتور به وجود می آید که باعث صدمه زدن به اجزای مکانیکی سیستم میشود. اما با استفاده از VFD می توان برنامه نویسی سیستم کنترلی را در 4 رنج متفاوت فرکانسی برای موتور به شکل بای پس طراحی کرد. این مهم سبب می شود که فن در دورهایی کار کند که در آنها فرکانس رزنانس ایجاد نشود. در نمودار زیر مقایسه بین 3 سیستم کنترلی دورثابت، 2 سرعته و دور متغیر آورده شده است.

 

 

به عنوان مثالی دیگر، ساعات کارکرد و ماکزیمم حجم هوای عبوری برای یک فن 30 کیلو وات در نمودار زیر آورده شده است. آنالیز مصرف انرژی در طی یک سال برای دو حالت کنترلی بررسی شده است.

1- موتور دو سرعته

2- موتور دور متغیر به همراه VFD

 

 

مقایسه دیگری برای یک برج خنک کن واقع در شهر دالاس از ایالت تگزازس انجام گرفته است. . در این پروژه به متراژ 1.2 میلیون فوت مربع از 2 عدد چیلر 1200 تن سانتریفوژ و یک چیلر 1500 تن سانتریفوژ استفاده گردیده است. نتیجه مقایسه برای فن های برج در 2 حالت دور متغیر و سیستم کنترلی on/off  نشان داده شده است و مینیمم دور موتور در حالت متغیر در 2 حالت مینیمم 50% و 15% با هم مقایسه گردیده است. در این شهر بیشتر از 1600 ساعت در طول سال دمای تر، بالاتر از 70 درجه فارنهایت است. در این تحقیق از یک برج 4500 تنی با 3 خانه استفاده شده است که دارای 3 فن 50 اسب است.

 

 

 

جدید ترین های مقالات