التأبين على فعالية أبراج التبريد في محطات توليد الطاقة مع (كفيد) في (آنسيز فونت)

إن أبراج التبريد عناصر حيوية في محطات الطاقة الحرارية، مسؤولة عن تفريق الكميات الكبيرة من حرارة النفايات التي تولد أثناء توليد الكهرباء، وتؤثر أدائها تأثيرا مباشرا على كفاءة النباتات، واستهلاك المياه، والامتثال للبيئة، وقد اعتمدت فعالية البرجين التنبؤي على نحو دقيق على الروابط العملية والنماذج المبسطة، ولكن هذه النُهج كثيرا ما تقصر عند التعامل مع القياسات الأرضية المعقدة، وظروف التشغيل المتباينة، ومتطلبات التدفق الصارم.

دور أبراج التبريد في محطات توليد الطاقة الحرارية

وفي محطة توليد الطاقة الحرارية النموذجية، سواء كانت مغذية بالفحم أو الغاز الطبيعي أو الطاقة النووية أو الطاقة الشمسية المركزة، تتطلب دورة الحرارة مغسلة حرارية لتكديس البخار للخروج من التربين، وتستخدم أبراج التبريد هذه المغسلة الحرارية، وتحوّل الحرارة من ماء التبريد إلى الغلاف الجوي، ويؤثر أداء برج التبريد تأثيرا مباشرا على نسبة الحرارة الإجمالية في المكثف.

وتصنف أبراج التبريد على نطاق واسع إلى نوعين: المشروع الطبيعي والمشروع الآلي: مشاريع أبراج طبيعية، وهي عادة شديدة الارتداد في الشكل، تعتمد على تدفق الهواء الذي تحركه الطفافات، وتشترك في محطات كبيرة من الحمولات الأساسية، وتستعمل المسودة الميكانيكية مراوح القوة أو التدفق الجوي، وهي أكثر شيوعا في محطات أصغر حجما، أو حيث يكون الحيز محدودا، ويمكن أن تكون التصاميم في كل فئة من فئاتها مواجهة التدفق الأفقي (تات الجوية الارتفاعية)

فبعد قياس الأرض، يتوقف الأداء الحراري لبرج التبريد على الحرارة والنقل الجماعي بين قطرات المياه والهواء، وتوزع المياه الساخنة من الخزان عن طريق أزهار الرذاذ أو القضبان، مما يخلق مساحة كبيرة من المياه للتبخر، مع مرور الهواء عبر وسائط الإعلام المملوءة أو حقول التسرب، فإنه يستوعب الحرارة والرطوبة، ويحكم نسبة المياه.

أساسيات نماذج الـ "دي" لتبريد أبراج باستخدام "الـ "أنيسيس

(ج) إن البرمجيات ذات الأغراض العامة التي تستخدمها إدارة خدمات الدعم المركزية على نطاق واسع في التطبيقات الصناعية التي تنطوي على تدفق السوائل ونقل الحرارة والتفاعلات المتعددة المراحل، ولتحفيز البرد، تقدم المواهب مجموعة شاملة من النماذج التي يمكن أن تمثل الفيزياء المعقدة المعنية، ويشمل النهج النموذجي النموذجي لحل معادلة التدفقات المائية التي تُجرى في مراحل التبريد، وذلك من أجل تحويل مواضع السلاسل الجوية المستمرة.

Governing Equations and Turbulence Modeling

ويكاد يكون تدفق الهواء داخل برج التبريد مضطرباً، لا سيما في مشاريع الأبراج الآلية التي يمكن أن تتجاوز فيها سرعة المعجبين 5 أمتار.() ويُعتبر اختيار نموذج الاضطراب الصحيح أمراً حاسماً للتنبؤ بملامح السرعة، وتقليص الضغط، والخلط بينه وبين المقياس القياسي للكميات، ودرجة الارتفاع التي يمكن بلوغها، ودرجة الارتفاع القصوى للخلية، وخيارات الكمية القصوى للكم.

إن معادلة الطاقة تحل بالنسبة لمزيج بخار الماء الجوي، محاسبة عن الانتقال المتأخر للحرارة بسبب التبخر، وكثيرا ما تستخدم معادلة نقل الماء لبخار الماء لتتبع التغيرات الرطوبة، وتفترض الحرارة والنقل الجماعي بين قطرات المياه المتباينة والمرحلة الجوية المستمرة استخداما لشروط المصادر المزدوجة.

Multiphase Modeling: Discrete Phase vs. Eulerian-Eulerian

أما بالنسبة لأبراج التبريد التي تحتوي على أزياء رذاذ أو ملئها، فإن نموذج المرحلة المتفرقة هو النهج العملي الأكثر، ويعالج قطرات المياه باعتبارها جزيئات فردية تتبادل الكتلة والزخم والطاقة مع المرحلة الجوية المستمرة، وعادة ما تكون إدارة عمليات حفظ السلام فعالة من حيث الحاسبة لأنها لا تحل سوى معادلة الجسيمات في إطار لاغانغيان، بينما يتم التخلص من المرحلة الجوية في إطار من الرش.

وفي الممارسة العملية، تستخدم دراسات عديدة عن حجم الديوكسين التجاري لأبراج التبريد الكبيرة إدارة شؤون الإعلام بعدد كبير من الطرود (مئات الآلاف) لتحقيق التقارب الإحصائي، ويُحدد توزيع حجم القطر عادة على أساس بيانات مصنعي الأوزن أو يمكن أن يُصاغ باستخدام توزيع روسين - راملر، وتشتمل النُهج الأكثر تقدما على نماذج التفكك الثانوي (مثلا، نموذج التحلل السطحي أو النسيب المميتري).

التحقق من صحة المعلومات

ولا يوجد نموذج للديون الفلورية الكيميائي مفيد دون التحقق من البيانات التجريبية، ففي حالة أبراج التبريد، كثيرا ما تنطوي عملية التثبت على مقارنة درجات الحرارة المتوقعة في المياه، ودرجة الحرارة في الهواء، ودرجة الرطوبة، وانخفاض الضغط باستخدام القياسات من الأبراج المادية أو أجهزة اختبار المقياس، وقد أظهرت دراسات عديدة أن المحاكاة الملوِّثة يمكن أن تنبأ بخصائص البرودة (KaV/L) ومعدلات السائل المبردة 10

ومن الضروري إجراء دراسات استقلالية مشرقة؛ وقد تتألف الميزانات الطبيعية الكبيرة من 2 إلى 10 ملايين خلية، مع صقل بالقرب من أزواد الرذاذ، ومنطقة الملئ، وجدران البرج، وكثيرا ما تستخدم المسدودات غير المهيكلة في الجيولوجيا المعقدة، بينما يمكن للمسدسات الأساسية أن تحسن الدقة في منطقة التدفق السائب، وتوفر شبكة غلوبا أدوات تكيفية مصغرة في مناطق مرتفعة.

البارامترات الرئيسية في محاكاة مركز عمليات حفظ السلام من أجل فعالية برج التبريد

ويتطلب تحديد الفعالية تحديدا دقيقا لمقاييس متعددة، حيث تُعرَّف الفعالية بأنها نسبة الحرارة الفعلية المرفوضة إلى أقصى قدر ممكن من الرفض الحراري، أو ما يعادل ذلك، درجة الحرارة عند النهج (الفرق بين درجة حرارة المياه الباردة ودرجة حرارة المصابيح الرطبة).

الهندسة الجيولوجية والبحوث

وتشمل قياسات برج التبريد قذيفة البرج (الطول، قطر، شكل)، ونظام توزيع المياه (اللف، والألم)، وملأ وسائط الإعلام (النوع، والطول، وكثافة التعبئة)، وكمية المراوح (للمشروع الميكانيكي)، وفي مشاريع الأبراج الطبيعية، فإن الشكل الفائقي للثباتات هو أمر حاسم في إثارة الانقطاع الطبيعي؛ ويؤثر الضغط على السمة الكفيلية.

ويجب أن تحل الميدوشة المحوسبة طبقة الحدود على جدران البرج وحول عناصر التعبئة، كما أن قيمة الألف + الـ 30 إلى 100 نموذجية بالنسبة للوظائف الجدارية عند استخدام نموذج الكيبسيلون، في حين أن الحاجة تدعو إلى وضع نماذج مروحية أقل ارتفاعا (نحو 1) لنموذج الاضطرابات المنخفضة العدد مثل الكم، وتحتاج المنطقة المحيطة بمنطقة الرذاذان إلى مسودة مرجعية دقيقة لاستخلاص الصور.

ظروف عمل الحدود ومقاييس تشغيل

وتشمل ظروف الحدود الداخلية للهواء درجة الحرارة المحيطة، والرطوبة النسبية، وسرعة/توجه الرياح عند النظر في آثار الرياح الطبيعية، وتحدد حالة المياه المتدفقة لكل نغمة، ودرجة حرارة المياه الساخنة، وتوزيع حجم السقوط، وعادة ما يكون الحد الأقصى منفذ ضغط على أعلى البرج (للمشروع الطبيعي) أو عند مخرج المروحة (للإكراه) ويعامل حائط الأزون تحت تأثير الريحة.

ويتيح هذا التردد للمستعمل تحديد هذه الظروف الحدودية بوظائف محددة للمستعملين من أجل التغيُّرات المكانية، مثل توزيع المياه غير النظامية عبر نطاق البرج، حيث تعمل العديد من محطات توليد الطاقة على برج التبريد بالتوازي؛ ويمكن للمؤسسة أن تُعد نموذجا واحدا أو أن تُستنسخ خلايا متعددة باستخدام شروط الحدود الدورية للحد من التكلفة الحاسبية.

النماذج المادية والنماذج الفرعية

وفيما عدا الإطار الأساسي للعموم الإيوليان - لاغراني، فإن عدة نماذج فرعية حاسمة بالنسبة للتنبؤ الدقيق بالفعالية:

• نموذج التبخر بالغازات السائلة يستخدم رقم التحويل الجماعي المتدفق على أساس قياس النقل الحراري، ويتم تحديث درجة حرارة السقوط استناداً إلى توازن الطاقة بين الحرارة المُريحة والمتأخرة، وبالنسبة لأبراج التبريد، فإن معدل التبريد هو الآلية المهيمنة، التي تُمثل عادةً الرفض بنسبة 70 إلى 80 في المائة من الحرارة.
• Heat transfer correlations:] The Nusselt number for droplets is calculated using empirical correlations such as the Ranz-Marshall correlation, which depends on droplet Reynolds and Prandtl numbers. The accuracy of these correlations at high temperatures and with non-spherical research droplets remains a topic.
• في مشاريع أبراج طبيعية كبيرة معرضة لضوء الشمس الإشعاع يمكن أن يشكل 5-10 في المائة من نقل الحرارة، ويمكن تفعيل نموذج أجهزة التفكيك المميزة للغاز الملوّث لتسديد الإشعاع الشمسي والإشعاع الحراري بين سطح الماء الساخن وهيكل البرج.
• كما ذكر، كثيراً ما تعامل منطقة الملأ كوسائط إعلامية مخرفة ذات حرارة كبيرة ومصطلحات مصادر جماعية، ويمكن استخلاص هذه المصطلحات من نظرية ميركل أو نموذج براون، التي تربط بين فعالية برج التبريد وبين نسبة تدفق المياه إلى الهواء، وكمية الأرض، وظروف التدفق.

فوائد استخدام الـ ديوان الـمـجـهـا لتحليـل برج التبريد والتفـاؤل الأمثل

وقد ازداد اعتماد مركز تنمية الحوافظ الكيميائية في تصميم البراغي وإعادة تجهيزها زيادة كبيرة بسبب قدرته على تقديم بيانات مفصلة ومحلة مكانيا لا يمكن أن يتطابق الاختبار المادي بسهولة، ويمكن للمهندسين تقييم التغيرات في التصميم في بيئة افتراضية دون نفقات ووقت بناء النماذج الأولية.

وفورات التكاليف والزمن

والاختبارات المادية لأبراج التبريد باهظة التكلفة، لا سيما بالنسبة لأبراج كبيرة طبيعية تتطلب شهوراً من البناء والتصنيع المتخصص، ويمكن إنجاز محاكاة الديوكسينات الفلورية في غضون أيام قليلة إلى أسابيع على مجموعة حاسوبية عالية الأداء، مما يتيح تقييم تكرارات التصميم المتعددة بالتوازي، فعلى سبيل المثال قد ترغب إحدى مرافق الطاقة في تقييم أثر تحسين نُهج الرذاذج على إنتاج معدلات تقلب من درجات الحرارة.

تحقيق الاستخدام الأمثل والتشويش

يمكن للمهندسين أن يتفاوتوا ارتفاع الملاءة، وتحميل المياه، وحجم قطرة المروحية، وسرعة المروحة، والظروف المحيطة لإيجاد التركيبة المثلى لموقع معين، كما أن أدوات الارتباك المبنية في الهواء (مثل قياس التدفق المصمم) يمكن أن تُؤمّن هذه العملية باستخدام طرق سطحية أو سلاسل كهربية وراثية.

دراسة حالة: تحسين أداء البرج الطبيعي

وتحدي إعادة التصريف المشترك هو تحسين أداء مشاريع الأبراج الطبيعية القديمة، وفي دراسة منشورة (انظر الرابط أدناه)، استخدم المهندسون سائل الماء الخافت لنموذج برج التبريد الفائق طوله 120 مترا، ووجدوا أن توزيع المياه غير النظامي من الأوزحة المستنسخة قد قلّ من الفعالية بنسبة تزيد على 15 في المائة، وبإعادة توزيع تدفق المياه والاستعاضة عن السائل المتحركة المتدفقة، وهي نسبة 3 في المائة.

Read an ANSYS client case study on cooling tower optimization (PDF)].

التحديات والحدود التي تواجه مركز تنمية الغابات في مجال منع برج التبريد

ورغم ما تتمتع به هذه المؤسسة من قوة، فإن نموذج أبراج التبريد يواجه عدة تحديات يجب على الممارسين الاعتراف بها لتجنب الثقة المفرطة في نتائج المحاكاة.

الاحتياجات من الموارد الحاسوبية

وقد يستغرق الأمر ٢٤-٢٧ ساعة على مجموعة أساسية من ال٤٦، كما أن المحاكاة الأرضية المبسطة، التي تتحول إلى أنماط مؤثرة مكلفة، هي أكثر من ذلك، مما يجعل من الممكن أن يكون هناك قدر أكبر من الوقت الذي يستغرقه التحلل الجغرافي المستقر مع إدارة شؤون الإعلام.

التبسيط والافتراضات النموذجية

ويفترض نموذج المرحلة المتباينة أن السقوط لا يتفاعل مع بعضها البعض (لا وجود للفصل أو الانفصال خارج الحقن الأولي) وفي الواقع، فإن الترسبات التي تصيب السقوط والكولاس، لا سيما في منطقة الملأ حيث يكون تحميل المياه مرتفعاً، ولا يمكن أن تحدث نماذج أكثر تقدماً من إيوليريان - إيوليان (مثلاً، نموذج إيوليريان متعدد المراحل مع تتبع الوصلات البينية) إلا أنها نادراً ما تستخدم في تقدير التكاليف المرتفعة.

متطلبات البيانات والتحقق منها

يحتاج الـ "سي إف دي" الدقيق إلى بيانات مُدخلات مُفصّلة: توزيع حجم السقوط، ملء الخواص المادية (منطقة نقل الحرارة، معاملات انخفاض الضغط)، وظروف مُلمّنة، هذه البيانات غالباً ما تكون مُمتلكة أو صعبة القياس في الموقع، و قد يُنحرف الأداء الفعلي للبرج عن التصميم بسبب الرهن أو الشيخوخة أو التقيّد، دون أن يُعدّلَ المقياسان على نحوٍ مُ مُ مُتُتَةِمُتُتُتُتُتُتُتَعَةُتَةُتُتَتَةُتَةُتُتُتُتُتُتَتَةُتَتَتَعَعَةُمُتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَعَتَتَتَتَتَتَعَتَتَمَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَمُمُمُمُ

الاتجاهات والابتكارات المستقبلية في برج التبريد

ومستقبل محاكاة برج التبريد يكمن في إدماج الديوكسينات المميتة في التكنولوجيات الناشئة لتحسين الدقة والسرعة وإمكانية الاستخدام.

تكامل التعلم في مجال الآلات

ويمكن تدريب نماذج بديلة للتعلم الآكلي على نتائج البرمجيات المولدة للتغذية الكيميائية لتوفير التنبؤات القريبة من الدلائل في أداء برج التبريد في ظروف مختلفة، فعلى سبيل المثال، يمكن تدريب شبكة جديدة بمئات من الديوكسينات المولدة للكهرباء تغطي النطاق المتوقع لدرجات الحرارة المحيطة، والرطوبة، وتحميل المياه، ويمكن عندئذ إدراج نموذج البديل في نظم مراقبة النباتات لتحقيق أقصى قدر من سرعة وتدفق المياه.

NREL report on machine learning for cooling tower modeling (PDF)].

محاكاة الزمن الحقيقي والتوائم الرقمية

ويُعد التواؤم الرقمي تمثيلاً فعلياً للموجودات المادية التي يجري تحديثها باستمرار مع بيانات الاستشعار، وبالنسبة لأبراج التبريد، يمكن للتوائم الرقمي المستند إلى نماذج خفض الطلب المستمدة من الديوكسينات الفلورية أن يتنبأ بالتدهور، ويقترح فترات الصيانة، ويحذر من الفشل الوشيك، ويتيح بناء التوأم للمهندسين استحداث نماذج على مستوى النظام تشمل نماذج المكونات التي تستخدمها الديوكسين الديموقراطي.

الحاسوب العالي الشكل ومحاكاة السحاب

وتتناقص تكاليف ووقوت محاكاة الديوكسينات السحابية مع توافر خدمات النسيج السحابي، وتوفر كلود موارد قابلة للتكرار تسمح للمهندسين بإجراء محاكاة أعلى درجة مع مزيد من الخلايا المصغرة والجسيمات الأكثر قابلية للتحلل، مما يتيح وضع نماذج أكثر تفصيلا للفيزياء الدقيقة في قطرات المياه، بما في ذلك أشكال التسرب غير الأيديية، والزيادة في كمية المياه المضغوطة المتعددة الكفاءات (إذا استخدمت مضافات المضافية المعالجة).

خاتمة

وقد أدى استخدام الديناميات الحاسبية للثديين باستخدام ملوِّثات الـ ANSYS إلى إحداث ثورة في طريقة توقع المهندسين للأبراج المبردة في محطات توليد الطاقة وتحقيق فعاليتها على النحو الأمثل، حيث يمكن أن تؤدي عوامل رئيسية مثل وضع نماذج للتبريد، وتحسين كفاءة الفيزياء، إلى التفاعلات المعقدة بين الهواء والماء، إلى تحقيق توقعات أداء أكثر دقة من الأساليب التجريبية التقليدية، وإلى عوامل رئيسية مثل تحليل الاضطرابات، وتحسين الطلب على المدخرفات،

وفي المستقبل، فإن إدماج الـ ديوان الـ ديوان الـمـانـي في التعلم الآلاتي، والرصد في الوقت الحقيقي، والتوائم الرقمي سيزيد من جدواه، مما يجعله أداة لا غنى عنها في تصميمات جديدة وإعادة تجهيز النباتات القائمة، ومع تشديد الأنظمة البيئية وزيادة الطلب على الكفاءة العالية، فإن القدرة على التنبؤ بدقة بأداء أبراج التبريد عن طريق المحاكاة ستكون ميزة تنافسية حيوية لمنتجي الطاقة.

تعلم المزيد عن عزوف النظم الوطنية لسواتل الملاحة للإدارة الحرارية .