أبراج التبريد والطاقة
يوجد عدد من التقنيات المستخدمة لتصميم وضبط معدل سريان الهواء خلال أبراج التبريد وكل منهما يؤدي إلى وفورات في الطاقة المستخدمة بدرجات متفاوتة.
التحكم في معدل سريان الهواء:
يوجد عدد من التقنيات المستخدمة لتصميم وضبط معدل سريان الهواء خلال أبراج التبريد، وكل منها يؤدي إلى وفورات في الطاقة المستخدمة بدرجات متفاوتة.
التحكم التدرجي :
أبسط طرق التحكم التدرجي هو تشغيل مروحة برج التبريد وإيقافها بالتناوب. وإذا تمت هذه الطريقة يدوياً، فتكون درجة التحكم والوفر في الطاقة غير مجدية، نظراً لاعتمادها على العامل الإنساني والجدول الزمني الخاص بالقائم على تشغيل برج التبريد. ويوجد نظام آخر أكثر تعقيداً، يتم من خلاله التحكم في تشغيل وإيقاف مروحة تمرير الهواء عن طريق مجس لدرجة حرارة الماء المعاد والذي تم تبريده من خلال البرج.
على الرغم من أن هذه الطريقة تؤدي إلى تحسين عملية التحكم في معدل سريان الهواء، إلا أنه توجد بعض المعوقات، ومعظمها تنتج من تكرار بدء حركة موتور المروحة. فعند كل مرة يبدأ فيها المحرك الدوران، يتم سحب كمية كبيرة من التيار خلال خطوط القوى الكهربائية. وهذا لا يؤدي فقط حمل ذروة كبير في نظام توزيع القوى الكهربائية، بل يضيف إجهادات حرارية على العزل الحراري للمحرك الكهربائي مما يؤدي إلى قصر عمر ملفات الموتور. ولتفادي تلك المشكلة، فلا بد وان توضع بعض الدوائر الكهربائية لتحد من عدد دورات الإيقاف والتشغيل التي يمر بها المحرك في الساعة. ويعتمد عدد دورات الإيقاف والتشغيل بدرجة كبيرة على حجم المحرك، فكلما كان حجم كبيراً كلما سمح بعدد اقل من دورات الإيقاف والتشغيل.
ومع استخدام مبدىء حركة من النوع القياسي التقليدي، يحاول المحرك الكهربائي الوصول الى السرعة الكلية كل مرة تقفل فيها دائرة مبدىء الحركة. وتؤثر الصدمة الميكانيكية الناتجة عن هذا على جميع مكونات النظام بما فيها برج التبريد ذاته. وهذا يفسر السبب في صدور المواصفات القياسية STD-111 من معهد أبراج التبريد والتي تنص على أن أقل معامل خدمة لمخفضات السرعة لأبراج التبريد من نوع المسننات المشطوبة الحلزونية هو –20.
المحركات ذات السرعتين :
وقوانين سريان الهواء خلال المراوح تفسر وفورات الطاقة المتاحة من عملية تغيير سرعة دوران محرك المروحة، فتوضح المعادلة التالية العلاقة بين سرعة دوران المروحة (س) ومعدل سريان الهواء (ك هـ).
ك هـ2 = س2
ك هـ1 س1
وبما أن العلاقة بينهما هي علاقة تناسب طردي، فإن تخفيض سرعة دوران المروحة إلى النصف يؤدي إلى نصف معدل سريان الهواء. أما المعادلة التالية من قوانين المروحة فأنها توضح العلاقة بين قدرة المروحة (ط) وسرعة دوران المروحة (س).
ط2 = (س2)2
ط1 (س1)2
وبالتعويض بسرعتي دوران محرك المروحة الشائعتين 865، 1730 لفة في الدقيقة، يتضح أن خفض سرعة دوران المروحة بنسبة 50% من سرعة دورانها الكلية يؤدي إلى تخفيض الكلية يؤدي إلى تخفيض الطاقة المستهلكة للمراوح إلى اقل من 15% من قدرتها عند السرعة الكلية، وهذا يوضح مدى الوفر المتاح في استهلاك الطاقة.
ولكن الفرق الواسع بين سرعتي دوران المحرك يجعل درجة التحكم محدودة. إلا أن السبب في شيوع هاتين السرعتين (865، 1730 لفة في الدقيقة) يرجع إلى انتشار استخدام المحركات من طراز 4 قطب: 8 قطب نظراً لانخفاض تكاليف تصنيعها عن نظيراتها من طراز 4 قطب : 6 قطب.
وأيضاً وكما في حالة التحكم التدرجي. فإنه عندما يكون التحكم يدوياً يصبح كل من الأداء والوفر في الطاقة معتمداً كلياً على العامل الإنساني للتشغيل. ويتحسن الأداء والتحكم عندما يستخدم مجس لدرجة حرارة الماء المعاد لتغيير سرعة دوران المروحة. إلا أن مشاكل الصدمات والإجهادات الحرارية والميكانيكية ما زالت تحدث خلال التدرج الفجائي بين السرعتين.
الأبراج المتعددة الخلايا:
توجد طريقة أخرى للتحكم في سعة برج التبريد، وهي استخدام أبراج التبريد متعددة الخلايا. وتعد هذه الطريقة مجدية اقتصادياً فقط في حالة المنشآت الكبيرة بحيث تبرر استخدام اكثر من خلية برج تبريد. فعند عدم الحاجة للسعة الكلية لأبراج التبريد، يمكن عزل خلية أو أكثر من أبراج التبريد.
وغالباً ما يكون هذا النوع من التحكم موسمياً، ولا تستطيع هذه التشكيلة أن تتكيف بطريقة جيدة مع نظم التحكم الأوتوماتيكي. ولا تتيح هذه الطريقة إمكانية وفر كبير في الطاقة بالقدر الذي تتيحه طريقة تغيير سرعة دوران المروحة. وهذا لأن المراوح في الخلايا التي لم يتم عزلها تظل تعمل عند الضغط الإستاتيكي الكامل. بينما تمارس المروحة التي تعمل عند سرعات أبطأ مقدار اقل من الضغط. ولتوضيح ذلك تتم المقارنة بين برجي تبريد أحدهما عبارة عن خليتين والأخر عبارة عن خلية واحدة ولكن مزود بمحرك يعمل على سرعتين (1730، 850 ) لفة في الدقيقة). ولتخفيض حمل التبريد في كلاهما إلى نصف الحمل الكلي، يتم عزل خلية تبريد واحدة من خليتي برج التبريد الأول وبذلك ينخفض استهلاك الطاقة إلى 50% من الطاقة الكلية المستهلكة، بينما في البرج الأخر يتم خفض سرعة دوران المروحة من 1730 إلى 850 لفة في الدقيقة مما يؤدي إلى انخفاض استهلاك الطاقة إلى 12.5% من الطاقة المستهلكة عند الحمل الكلي لبرج التبريد. ونتيجة لذلك، فان أبراج التبريد متعددة الخلايا تشتمل عادة على مراوح مزودة بمحركات متعددة السرعات بغرض تحسين كفاءة استهلاك الطاقة.
التحكم المستمر:
يوجد عدد مختلف من الطرق التي تؤدي إلىالتحكم في أداء أبراج التبريد والتي تتيح إمكانية وفورات اكثر في الطاقة المستخدمة.
المخمدات:
وتتيح هذه المخمدات التعديل المستمر والتحكم في معدل سريان الهواء خلال برج التبريد ليتلائم مع التغيرات في الحمل الحراري لأداء البرج والتغير في درجة حرارة الهواء الخارجي المقاسة بالترمومتر المبلل. وعندما تحد المخمدات من سريان الهواء، تنخفض القدرة الحصانية للمروحة، ولكن مقدار الوفورات في الطاقة المستخدمة يكون أقل من نظيره في الطرق الأخرى للتحكم في معدل سريان الهواء. وتضيف هذه المخمدات مشاكل أيضاً في الصيانة، ولا يوصي باستخدامها في أبراج التبريد التي تعمل في الأجواء المناخية شديدة البرودة والمتجمدة.
مروحة دافعة متغيرة الخطوة أوتوماتيكياً:
إن استخدام المروحة الدافعة متغيرة الخطوة أوتوماتيكيا يؤدي إلى تحكم اكثر كفاءة في معدل سريان الهواء. فبعكس مروحة برج التبريد القياسية والتي يتم ضبط خطوتها يدوياً مرة واحدة فقط خلال بدء التشغيل وعادة لا يتم إعادة ضبطها فيما بعد، يتم التحكم في خطوة ريشة هذه المراوح الدافعة عن طريق نظام الهواء المضغوط. وهذا يتيح إمكانية تغيير خطوة الريشة باستمرار وأثناء دوران المروحة لتلائم تغيرات ظروف التشغيل. وعندما يكون متاحاً تعديل برج تبريد كائن في الموقع بمروحة متغيرة الخطوة، فإن اثر هذا التعديل يتضح في الحال. وعلى الرغم من أن الوفر في الطاقة يكون اكبر من مثيله في النظم الأخرى المذكورة فيما سبق إلا أن كفاءة المروحة تنخفض مع تغيير خطوة الريشة عند نفس سرعة الدوران. ومن الممكن استخدام مراوح متغيرة الخطوة ذات المحركات تعمل على سرعتين، وذلك لتلافي انخفاض كفاءة المروحة عند تغيير خطوة الريشة. فعندما ينخفض سريان الهواء إلى النصف، يتم تخفيض سرعة دوران محرك المروحة بحيث يسمح بالعودة إلى الكفاءة العالية والمناظرة لوضع الخطوة الأولى للريش.
نواقل التيار ذو التيار المتغير:
تشير الدراسة التي قامت بها شركة مارلي Marley لأبراج التبريد إلى أن اكثر الطرق كفاءة بالنسبة للتحكم في مراوح أبراج التبريد هي عن طريق ضبط سرعة دوران المروحة لتلائم التغير في معدل سريان الهواء. وتناولت هذه الدراسة برج التبريد لنظام تكييف هواء سعة 400 طن تبريد ويعمل 11 ساعة في اليوم، 5 أيام في الأسبوع، بمدينة شيكاغو. وقد أظهرت النتائج أن التحكم في السرعة المتغيرة للمروحة يؤدي إلى استهلاك طاقة يناظر 20% من الطاقة المستهلكة في نظام الإيقاف والتشغيل المتناوبين للمروحة، ويناظر 50% مما تستهلكه المروحة ذات السرعتين، ويكافئ 75% من الطاقة المستهلكة في نظام تشغيل المروحة ذات الخطوة المتغيرة. فعند ضبط السرعة، تترك ريشة المروحة عند وضعها الأمثل بالنسبة للكفاءة، بينما تتغير سرعة المروحة لتلائم احتياجات برج التبريد من معدل سريان للهواء. ونتيجة لذلك، تصبح الطاقة الفعلية المطلوبة لتشغيل المراوح قريبة من مسار العلاقة التكعيبية بين سرعة دوران المروحة والطاقة اللازمة، كما هو في قانون المراوح.
وهذه الطريقة لا تصاحبها المشاكل المتأصلة في طرق التحكم التدريجي، لأن عمليات ضبط سرعة المروحة تعتبر لا نهائية. وفي اغلب تطبيقات أبراج التبريد، تزود المراوح بمحركات حث من نوع التيار المتردد، نظراً لما تحتاجه من أعمال صيانة محدودة. وعلى ذلك يمكن استخدام نواقل التيار ذو التردد المتغير مع أبراج التبريد لدوران المراوح عند سرعات متغيرة تناسب التغير في أحمال التبريد. وبالتحكم في سرعة دوران مروحة برج التبريد عن طريق نواقل التيار ذو التردد المتغير، تصبح فترة استرجاع الاستثمارات في حدود من سنة إلى سنتين.
التحكم في معدل سريان الهواء:
يوجد عدد من التقنيات المستخدمة لتصميم وضبط معدل سريان الهواء خلال أبراج التبريد، وكل منها يؤدي إلى توفير في الطاقة المستخدمة بدرجات متفاوتة.
التحكم التدرجي :
أبسط طرق التحكم التدرجي هو تشغيل مروحة برج التبريد وإيقافها بالتناوب. وإذا تمت هذه الطريقة يدوياً، فتكون درجة التحكم والوفر في الطاقة
غير مجدية، نظراً لاعتمادها على العامل الإنساني والجدول الزمني الخاص بالقائم على تشغيل برج التبريد. ويوجد نظام آخر أكثر تعقيداً، يتم من خلاله التحكم في تشغيل وإيقاف مروحة تمرير الهواء عن طريق مجس لدرجة حرارة الماء المعاد والذي تم تبريده من خلال البرج.
على الرغم من أن هذه الطريقة تؤدي إلى تحسين عملية التحكم في معدل سريان الهواء، إلا أنه توجد بعض المعوقات، ومعظمها تنتج من تكرار بدء حركة موتور المروحة. فعند كل مرة يبدأ فيها المحرك الدوران، يتم سحب كمية كبيرة من التيار خلال خطوط القوى الكهربائية. وهذا لا يؤدي فقط إلى حمل ذروة كبير في نظام توزيع القوى الكهربائية، بل يضيف إجهادات حرارية على العزل الحراري للمحرك الكهربائي مما يؤدي إلى قصر عمر ملفات الموتور. ولتفادي تلك المشكلة، فلا بد وان توضع بعض الدوائر الكهربائية لتحد من عدد دورات الإيقاف والتشغيل التي يمر بها المحرك في الساعة. ويعتمد عدد دورات الإيقاف والتشغيل بدرجة كبيرة على حجم المحرك، فكلما كان حجمه كبيراً كلما سمح بعدد اقل من دورات الإيقاف والتشغيل.
ومع استخدام مبدىء حركة من النوع القياسي التقليدي، يحاول المحرك الكهربائي الوصول الى السرعة الكلية كل مرة تقفل فيها دائرة مبدىء الحركة. وتؤثر الصدمة الميكانيكية الناتجة عن هذا على جميع مكونات النظام بما فيها برج التبريد ذاته. وهذا يفسر السبب في صدور المواصفات القياسية STD-111 من معهد أبراج التبريد والتي تنص على أن أقل معامل خدمة لمخفضات السرعة لأبراج التبريد من نوع المسننات المشطوبة الحلزونية هو –20.
المحركات ذات السرعتين :
وتضيف المحركات التي تدور على سرعتين تحسينات أكثر على عملية التحكم في معدل سريان الهواء خلال أبراج التبريد. وأكثر المحركات شيوعاً هي التي تعمل على سرعتين أما 1730 دورة في الدقيقة أو 865 دورة في الدقيقة.
وقوانين سريان الهواء خلال المراوح تفسر توفير الطاقة المتاحة من عملية تغيير سرعة دوران محرك المروحة، فتوضح المعادلة التالية العلاقة بين سرعة دوران المروحة © ومعدل سريان الهواء (Mair).
[CENTER]Mair2= C2
Mair1 C1 [/center]
وبما أن العلاقة بينهما هي علاقة تناسب طردي، فإن تخفيض سرعة دوران المروحة إلى النصف يؤدي إلى نصف معدل سريان الهواء. أما المعادلة التالية من قوانين المروحة فأنها توضح العلاقة بين قدرة المروحة § وسرعة دوران المروحة ©.
[CENTER]P2 = (C2)2
P1 (C1)2[/center]
وبالتعويض بسرعتي دوران محرك المروحة الشائعتين 865، 1730 لفة في الدقيقة، يتضح أن خفض سرعة دوران المروحة بنسبة 50% من سرعة دورانها الكلية يؤدي إلى تخفيض الطاقة المستهلكة للمراوح إلى اقل من 15% من قدرتها عند السرعة الكلية، وهذا يوضح مدى الوفر المتاح في استهلاك الطاقة.
ولكن الفرق الواسع بين سرعتي دوران المحرك يجعل درجة التحكم محدودة. إلا أن السبب في شيوع هاتين السرعتين (865، 1730 لفة في الدقيقة) يرجع إلى انتشار استخدام المحركات من طراز 4 قطب: 8 قطب نظراً لانخفاض تكاليف تصنيعها عن نظيراتها من طراز 4 قطب : 6 قطب.
وأيضاً وكما في حالة التحكم التدرجي. فإنه عندما يكون التحكم يدوياً يصبح كل من الأداء والوفر في الطاقة معتمداً كلياً على العامل الإنساني للتشغيل. ويتحسن الأداء والتحكم عندما يستخدم مجس لدرجة حرارة الماء المعاد لتغيير سرعة دوران المروحة. إلا أن مشاكل الصدمات والإجهادات الحرارية والميكانيكية ما زالت تحدث خلال التدرج الفجائي بين السرعتين.
الأبراج المتعددة الخلايا:
توجد طريقة أخرى للتحكم في سعة برج التبريد، وهي استخدام أبراج التبريد متعددة الخلايا. وتعد هذه الطريقة مجدية اقتصادياً فقط في حالة المنشآت الكبيرة بحيث تبرر استخدام اكثر من خلية برج تبريد. فعند عدم الحاجة للسعة الكلية لأبراج التبريد، يمكن عزل خلية أو أكثر من أبراج التبريد.
وغالباً ما يكون هذا النوع من التحكم موسمياً، ولا تستطيع هذه التشكيلة أن تتكيف بطريقة جيدة مع نظم التحكم الأوتوماتيكي. ولا تتيح هذه الطريقة إمكانية وفر كبير في الطاقة بالقدر الذي تتيحه طريقة تغيير سرعة دوران المروحة. وهذا لأن المراوح في الخلايا التي لم يتم عزلها تظل تعمل عند الضغط الإستاتيكي الكامل. بينما تمارس المروحة التي تعمل عند سرعات أبطأ مقدار اقل من الضغط. ولتوضيح ذلك تتم المقارنة بين برجي تبريد أحدهما عبارة عن خليتين والآخر عبارة عن خلية واحدة ولكن مزود بمحرك يعمل على سرعتين (1730، 850 ) لفة في الدقيقة). ولتخفيض حمل التبريد في كلاهما إلى نصف الحمل الكلي، يتم عزل خلية تبريد واحدة من خليتي برج التبريد الأول وبذلك ينخفض استهلاك الطاقة إلى 50% من الطاقة الكلية المستهلكة، بينما في البرج الأخر يتم خفض سرعة دوران المروحة من 1730 إلى 850 لفة في الدقيقة مما يؤدي إلى انخفاض استهلاك الطاقة إلى 12.5% من الطاقة المستهلكة عند الحمل الكلي لبرج التبريد. ونتيجة لذلك، فان أبراج التبريد متعددة الخلايا تشتمل عادة على مراوح مزودة بمحركات متعددة السرعات بغرض تحسين كفاءة استهلاك الطاقة.
التحكم المستمر:
يوجد عدد مختلف من الطرق التي تؤدي إلى التحكم في أداء أبراج التبريد والتي تتيح إمكانية توفير اكثر في الطاقة المستخدمة.
المخمدات:
وتتيح هذه المخمدات التعديل المستمر والتحكم في معدل سريان الهواء خلال برج التبريد ليتلائم مع التغيرات في الحمل الحراري لأداء البرج والتغير في درجة حرارة الهواء الخارجي المقاسة بالترمومتر المبلل. وعندما تحد المخمدات من سريان الهواء، تنخفض القدرة الحصانية للمروحة، ولكن مقدار توفير في الطاقة المستخدمة يكون أقل من نظيره في الطرق الأخرى للتحكم في معدل سريان الهواء.
وتضيف هذه المخمدات مشاكل أيضاً في الصيانة، ولا يوصي باستخدامها في أبراج التبريد التي تعمل في الأجواء المناخية شديدة البرودة والمتجمدة.
مروحة دافعة متغيرة الخطوة أوتوماتيكياً:
إن استخدام المروحة الدافعة متغيرة الخطوة أوتوماتيكيا يؤدي إلى تحكم اكثر كفاءة في معدل سريان الهواء. فبعكس مروحة برج التبريد القياسية والتي يتم ضبط خطوتها يدوياً مرة واحدة فقط خلال بدء التشغيل وعادة لا يتم إعادة ضبطها فيما بعد، يتم التحكم في خطوة ريشة هذه المراوح الدافعة عن طريق نظام الهواء المضغوط. وهذا يتيح إمكانية تغيير خطوة الريشة باستمرار وأثناء دوران المروحة لتلائم تغيرات ظروف التشغيل. وعندما يكون متاحاً تعديل برج تبريد كائن في الموقع بمروحة متغيرة الخطوة، فإن اثر هذا التعديل يتضح في الحال. وعلى الرغم من أن الوفر في الطاقة يكون اكبر من مثيله في النظم الأخرى المذكورة فيما سبق إلا أن كفاءة المروحة تنخفض مع تغيير خطوة الريشة عند نفس سرعة الدوران. ومن الممكن استخدام مراوح متغيرة الخطوة ذات المحركات تعمل على سرعتين، وذلك لتلافي انخفاض كفاءة المروحة عند تغيير خطوة الريشة. فعندما ينخفض سريان الهواء إلى النصف، يتم تخفيض سرعة دوران محرك المروحة بحيث يسمح بالعودة إلى الكفاءة العالية والمناظرة لوضع الخطوة الأولى للريش.
نواقل التيار ذو التيار المتغير:
تشير الدراسة التي قامت بها شركة مارلي Marley لأبراج التبريد إلى أن اكثر الطرق كفاءة بالنسبة للتحكم في مراوح أبراج التبريد هي عن طريق ضبط سرعة دوران المروحة لتلائم التغير في معدل سريان الهواء. وتناولت هذه الدراسة برج التبريد لنظام تكييف هواء سعة 400 طن تبريد ويعمل 11 ساعة في اليوم، 5 أيام في الأسبوع، بمدينة شيكاغو. وقد أظهرت النتائج أن التحكم في السرعة المتغيرة للمروحة يؤدي إلى استهلاك طاقة يناظر 20% من الطاقة المستهلكة في نظام الإيقاف والتشغيل المتناوبين للمروحة، ويناظر 50% مما تستهلكه المروحة ذات السرعتين، ويكافئ 75% من الطاقة المستهلكة في نظام تشغيل المروحة ذات الخطوة المتغيرة. فعند ضبط السرعة، تترك ريشة المروحة عند وضعها الأمثل بالنسبة للكفاءة، بينما تتغير سرعة المروحة لتلائم احتياجات برج التبريد من معدل سريان للهواء. ونتيجة لذلك، تصبح الطاقة الفعلية المطلوبة لتشغيل المراوح قريبة من مسار العلاقة التكعيبية بين سرعة دوران المروحة والطاقة اللازمة، كما هو في قانون المراوح.
وهذه الطريقة لا تصاحبها المشاكل المتأصلة في طرق التحكم التدريجي، لأن عمليات ضبط سرعة المروحة تعتبر لا نهائية. وفي اغلب تطبيقات أبراج التبريد، تزود المراوح بمحركات حث من نوع التيار المتردد، نظراً لما تحتاجه من أعمال صيانة محدودة. وعلى ذلك يمكن استخدام نواقل التيار ذو التردد المتغير مع أبراج التبريد لدوران المراوح عند سرعات متغيرة تناسب التغير في أحمال التبريد. وبالتحكم في سرعة دوران مروحة برج التبريد عن طريق نواقل التيار ذو التردد المتغير، تصبح فترة استرجاع الاستثمارات في حدود من سنة إلى سنتين.
