بازیابی آب تبخیری از برج خنک کن

بیش از یک دهه قبل، دولت ایالات متحده آمریکا ارتباط بین تولید برق و منابع آب طبیعی را مورد بررسی قرار داد. با اذعان به اینکه تولید برق ترموالکتریک شدیداً وابسته به آب است، اعضای کنگره دریافتند که افزایش تقاضا برای برق – که معلول توسعه سریع اقتصاد آمریکا است – فشار فزاینده‌ای را بر منابع آب طبیعی آینده وارد خواهد کرد.

آیا پیشرفت‌ها در فناوری‌های سرمایشی می‌توانست راه‌حلی در این زمینه ارایه دهد؟ 

به منظور یافتن راه‌حل، دپارتمان انرژی ایالات متحده آمریکا (DOE) در سال ۲۰۰۵ یک برنامه تحقیقاتی را آغاز کرد که جهت توسعه فناوری‌هایی که قادر به کاهش مصرف آب تازه در نیروگاه‌های ایالات متحده باشند، طراحی شده بود.

یک کمپانی برای پاسخگویی به چالش DOE، مدل اولیه‌ای طراحی کرد که فناوری چگالشی خاصی را برای بازیابی آب به کار می‌گرفت. این فناوری که به برج‌های خنک‌کن جدید و موجود (بهسازی) قابل اعمال است، پتانسیل کاهش قابل ملاحظه مصرف آب تازه را در نیروگاه‌های ترموالکتریک ارایه می‌دهد. این فناوری چگالشی جدید منافع دیگری را نیز فراهم می‌کند:

• فرونشانی ابر خروجی از برج خنک‌کن

• کاهش اندازه ورودی آب و توان پمپاژ

• کاهش خرید آب از خارج سایت

• کاهش تولید آب دمینرالیزه در داخل سایت

• مصارف اضافی برای آب چگالیده شده کیفیت بالا در داخل نیروگاه

فرونشانی ابر خروجی از برج خنک‌کن، که دغدغه همیشگی اپراتورهای نیروگاه‌هاست، به کاربرد اصلی این فناوری جدید تبدیل شد.

چالش‌های مرتبط با ابر خروجی از برج

اکثراً، ابرهای سفید چرخان بالا رونده بزرگی را بر فراز برج‌های خنک‌کن در نیروگاه‌ها دیده‌ایم و از خود پرسیده‌ایم که آیا اینها از نظر زیست‌محیطی سالم هستند. این ابر خروجی که پلوم (Plume) نامیده می‌شود، مخلوطی از بخار آب و کندانس بوده و آلوده‌کننده نیست.

پلوم زمانی تشکیل می‌شود که هوای گرم مرطوب خروجی از برج خنک‌کن با هوای خنک‌تر محیط مخلوط می‌شود. هرچه اختلاف دمای بین هوای خروجی از برج وهوای محیط بیشتر باشد، پلوم بالا رونده بر فراز برج خنک‌کن مرئی‌تر خواهد بود.

هنگام که هوای خروجی مخلوط و خنک می‌شود، رطوبت موجوددر آن چگالیده (تقطیر) شده و هوا فوق اشباع می‌شود. این هوای فوق اشباع یک ابر مرئی (پلوم) تولید می‌کند. فرآیند «فرونشانی پلوم» شامل حذف یا کاهش این بخار مرئی است.

پلوم‌ها به دلایل متعدد برای اپراتورهای نیروگاه‌ها نگران‌‌کننده هستند. مهم‌ترین آن‌ها کاهش دامنه دید در جاده‌ها و باندهای پرواز است. پلوم‌ها گاهی اوقات باعث اختلال در فعالیت‌های برج مراقبت و مسیر پرواز هواپیماها می‌شوند.

از نظر زیبایی‌شناسی، پلوم‌ها می‌توانند به مشاغل، مناطق مسکونی و سایر فضاهای عمومی مجاور لطمه وارد کنند. در بعضی موارد، ملاحظات پیروی از قانون نیز دخیل می‌شوند.

بنابراین اگرچه انگیزه اولیه تحقیق DOE صرفه‌جویی آب و انرژی بود، اما سرمایه‌گذاری بر روی این تحقیق به منافع ناخواسته دیگری نیز منجر شد که مهم‌ترین آنها فرونشانی پلوم بود.

طرح اولیه

فناوری فرونشانی ابر خروجی از برج خنک‌کن (پلوم) در یک مدول چگالشی تبادل گرمای هوا به هوا شکل گرفت.

این مدول چگالشی که بالای ماده واسط مرطوب برج مستقر می‌شود، اجازه می‌دهد تا هوای خنک محیط از طریق کانال وارد پلنوم برنج شده و گرما را از هوای اشباع گرم خروجی از برج خنک‌کن استخراج کند.

تست‌های آزمایشگاهی پیش‌بینی کردند که بخار آب چگالیده حاصله که داخل مسیر مرطوب مدول چگالشی به دام می‌افتد، می‌تواند با نرخی بازیابی شود که بسته به شرایط جوی حدوداً ۲۰ درصد در مصرف آب سالانه صرفه‌جویی کند.

علاوه بر اجرای سنجش‌های صرفه‌جویی آب برای این فناوری مبدل حرارتی، مهندسین شبیه‌سازی‌های دینامیک سیال محاسباتی (CFD) را بر روی طرح‌های برج انجام دادند و از آن‌ها برای پیشگویی و بهینه‌سازی یک برنامه تست در مقیاس طبیعی استفاده کردند.

در سال ۲۰۰۸، مدول چگالشی مبدل حرارتی در شرایط واقعی نیروگاه San Juan در فارمینگتون نیومکزیکو مورد تست قرار گرفت. این سایت توسط DOE انتخاب شد چرا که معیارهای تحقیق را برآورده می‌کرد: یک نیروگاه با سوخت زغال سنگ با بار پایه واقع در منطقه‌ای که دامنه کاملی از دماهای فصلی محیط تا منفی ۱۸ درجه سانتی‌گراد در زمستان را تجربه می‌کرد.

طی تست کارایی حرارتی، دماهای محیط در طول دوره ۶ ساعته متغیر بود. مقدار کندانس بر حسب دما و رطوبت نسبی در زمان‌های جمع‌‌آوری، به طور چشمگیری تغییر می‌کرد. نهایتاً، واحد چگالشی ۹۷ درصد حجم جمع‌آوری کندانس پیش‌بینی شده در طول دامنه و شرایط رطوبتی را تولید کرد. طی یک دوره تست ۴۸ ساعته مجزا که در آن مقدار آب ذخیره شده به‌صورت جریان کندانس اندازه‌گیری شد، ۴۰۷۳۵ گالن آب جمع‌آوری شد. اوج جمع‌آوری طی ساعات خنک‌تر شبانه اتفاق افتاد.

با توجه به همه سنجش‌ها، مدول چگالشی تبادل حرارت در تست نیروگاه نیومکزیکو موفقیت‌آمیز بود. این مدول همانطور که پیش‌بینی می‌شد مصرف آب را به‌طور چشمگیری کاهش داد. این فناوری به فرونشانی موثر پلوم و کاهش یخ‌زدگی و کثیفی برج نیز نائل شد. به این ترتیب یک روش موثر فرونشانی پلوم مورد تایید قطعی قرار گرفت.

فناوری مدرن فرونشانی پلوم

بر پایه موفقیت‌های به‌دست آمده از مدل اولیه، سیستم‌های یکپارچه فرونشانی پلوم که ثابت کردند از سیستم‌های سنتی مبتنی کویل قابل اعتمادترند توسعه یافتند.

سیستم فرونشانی پلوم یک سری مدول‌های مبدل حرارتی از جنس PVC را به کار می‌گیرد که در پلنوم برج مستقر می‌شوند.

این سیستم از هوای محیط خارج برای چگالش (تقطیر) رطوبت موجود در هوای اگزاست قبل از خروج آن از برج استفاده می‌کند.. چندین گرین رطوبت خارج شده منجر به کاهش پلوم و صرفه‌جویی آب می‌شوند. مشخص کردن یک راه‌حل فرونشانی پلوم مانند این سیستم، می‌تواند گرفتن مجوز ساخت نیروگاه را تسهیل کند؛ فرآیندی که غالباً سخت و پرهزینه است.

منفعت کلیدی سیستم فرونشانی پلوم قابلیت انطباق آن است. این می‌تواند در برج‌های خنک‌‌کن با جریان مخالف بنا شده میدانی موجود ادغام شود و از این نظر یک گزینه اقتصادی به حساب می‌آید. این سیستم در مقایسه با برج‌های هیبریدی نوع کویلی به هد پمپ کمتری نیاز دارد و توان کمکی کمتری مصرف می‌کند و نسبت به سیستم‌های سنتی به لوله‌کشی کمتری نیاز خواهد داشت. به خاطر اینکه این سیستم انرژی کمتری از سیستم‌های خشک سنتی مصرف می‌کند، تاثیر مثبتی بر انتشار آلاینده‌های کربنی نیروگاه خواهد داشت.

از همه مهم‌تر اینکه، اخراج موثر آب از پلوم با این فناوری‌، به‌طور چشمگیری پلوم مرئی را کاهش می‌دهد در حالی که یک منبع طبیعی ارزشمند را نیز حفظ می‌کند. سیستم فرونشانی پلوم ثابت کرده است که مصرف آب برج خنک‌کن را در مقایسه با برج‌های خنک‌کن سنتی به میزان ۲۰ درصد کاهش می‌دهد. مصرف مواد شیمیایی تصفیه آب برج نیز کاهش داده می‌شود.

نتیجه گیری

پلوم ابری از بخار آب است که توسط برج خنک‌کن تولید می‌شود؛ زمانی که هوای گرم مرطوب خروجی از برج توسط هوای محیط خنک می‌شود. مدل اولیه مدول چگالشی که در پاسخ به چالش DOE جهت کمک به حفظ منابع طبیعی ارزشمند در نیروگاه‌ها طراحی شده بود، به یک راه‌حل موثر فرونشانی پلوم تبدیل شده است. این سیستم در مصرف آب و انرژی صرفه‌جویی می‌کند؛ با برج‌‌های خنک‌کن جدید و موجود منطبق می‌شود؛ نصب انعطاف‌پذیر با قابلیت بهسازی برج‌های خنک‌کن موجود را فراهم می‌‌سازد و به نگهداری کمتری نیاز دارد.

ترجمه: دکتر سید علی اکبر طباطبایی