برجهای خنک کننده

در این مقاله به بررسی مدل های مختلف برج خنک کننده خواهیم پرداخت و همچنین یک نوع از آن را که در ایران بسیار مرسوم و پرطرفدار است، مورد بررسی قرار می‌دهیم تا تفاوت و شباهت آن را با سایر مدل ها متوجه شوید. همراه ما باشید.

برج خنک کن می‌تواند اختلاف دمایی در حدود 40 درجه را ایجاد کند. برای مثال، برج خنک کنی که با چیلر کار می‌کند، می‌تواند دمای آب گرم ورودی 37 تا 40 درجه را به 30 تا 32 درجه تقلیل دهد. این فرآیند از طریق تبخیر آب صورت می‌گیرد.

برج خنک کن را می‌توان بر اساس جهت حرکت آب و هوا، روش انتقال حرارت و نوع مکش هوا به انواع مختلف تقسیم کرد. برخی از این انواع عبارتند از:

برج خنک کن جریان متقاطع: در این دستگاه ورود آب از بالا به پایین و جریان هوا هم به صورت متقاطع وارد می شود و پس از تماس با آب از بالا خارج می شود. این سیستم به ۲ دلیل مهم بسیار پر استفاده است: ۱.کم هزینه ترین سیستم خنک کننده با آب است. ۲.میزان هدر رفت آب گرم در آن بسیار کم است.

برج خنک کن جریان نا هم سو: در این دستگاه آب از بالای برج و هوا در خلاف جهت آن از پایین وارد می شود. ناهمسو بودن فرایند، هم از نظر انتقال جرمی و هم انتقال حرارت بازدهی بالاتری نسبت به متقاطع دارد.

برج خنک کن جریان هم سو: در این دستگاه آب و هوا در یک جهت وارد و خارج می شوند. این نوع برج خصوصاً در مناطق با رطوبت بالای هوا مناسب است.

برج خنک کن خشک: در این دستگاه آب نقشی ندارد، بلکه سیال فرایندی با عبور از یک مبدل توسط هوا خنک می شود.

برج خنک کن مدار باز: خنک سازی در این برجها با تبخیر آب انجام می شود. این نوع برج بازده بالای انرژی دارد و جنس بدنه آن فایبرگلاس است که مقاوم در برابر شکستگی، پوسیدگی و تاثیر اشعه UV است. همچنین این برج‌ها به صورت مدور یا مکعبی تولید می‌شوند و جهت حرکت آب و هوا در آنها مخالف است.

برج خنک کن فایبرگلاس یک نوع برج خنک کن است که بدنه آن از ماده کامپوزیتی تقویت شده با الیاف شیشه ساخته شده است. این نوع برج دارای مزایایی نسبت به برج‌های خنک کن دیگر است، مانند مقاومت در برابر شکستگی، پوسیدگی و تاثیر اشعه UV، سبکی وزن، طول عمر بالا و هزینه نگهداری پایین. اساس عملکرد برج خنک کن فایبرگلاس همانند دیگر برج‌های خنک کن است و مبتنی بر تبادل حرارت و جرم بین آب و هوا از طریق تبخیر آب است. در واقع فقط جنس بدنه آن متفاوت است.

به نظر می‌رسد که در ایران از انواع مختلف برج‌های خنک کن استفاده می‌شود، اما بیشترین استفاده از برج‌های خنک کن مرطوب یا مدار باز است. این نوع برج‌ها آب گرم را با تماس مستقیم با جریان هوای تازه خنک می‌کنند و بخشی از آب را به صورت بخار از دست می‌دهند. برج‌های خنک کن فایبرگلاس نیز به علت مزایایی که قبلاً ذکر شد، در صنایع مختلف مانند پتروشیمی، فولاد، نفت و گاز و نیروگاه‌ها کاربرد دارند.

در ادامه انواع دیگر کولینگ تاور و روش های مختلف دسته بندی را ارائه خواهیم کرد، همراه ما باشید و در صورت وجود هرگونه سوال با کارشناسانمان تماس بگیرید. اکنون به انواع برج‌های خنک کننده (راهنمای کلی برای شناخت انواع سیستم کولینگ تاور) توجهتان را جلب می کنیم:

انواع برج خنک کننده:

• طبقه بندی بر اساس استفاده
• طبقه بندی بر اساس ساخت
• روش های تولید جریان هوا
• روش های انتقال حرارت
• جریان هوا به آب

انواع برج خنک کننده

اندازه‌ها و انواع مختلف برج خنک‌کننده برای نیازها و کاربردهای مختلف طراحی شده‌اند. اگرچه انواع مختلف طرح‌های برج خنک‌کن تفاوت دارند، اما عملکرد اصلی همه این نوع‌ها یکسان است، زیرا هدف همه آن‌ها پراکنده کردن گرما از یک سیستم به هوای بیرون از طریق تبخیر است.

طبقه بندی بر اساس استفاده:

برج خنک کننده بر اساس کاربردشان به دو نوع دسته‌بندی می‌شوند که در ادامه توضیح داده شده است.

سیستم گرمایش و تهویه مطبوع (HVAC)

یک برج خنک کننده HVAC (گرمایش و تهویه مطبوع) برای دفع گرمای ناخواسته چیلر استفاده می‌شود. چیلرهای خنک شونده با مایع معمولاً به دلیل انتقال گرما به آب برج، نسبت به چیلرهای هوا خنک کارآمدتر در مورد انرژی هستند. چیلرهای هوا خنک باید گرما را در دمای شبنم یا بالاتر دفع کنند و در نتیجه متوسط ​​اثربخشی چرخه معکوس کارنو کمتری دارند.

برج‌های خنک کننده HVAC معمولا کوچکتر از برج‌های خنک کننده صنعتی هستند و کاربردهای تجاری مانند خنک کردن آب در گردش پالایشگاه‌های نفت، نیروگاه‌ها و کارخانه‌های شیمیایی و همچنین ساختمان‌های خنک کننده مانند ساختمان‌های اداری بزرگ، بیمارستان‌ها، مدارس و دانشکده‌ها را دارند.

برج‌های خنک کننده صنعتی

از برج‌های خنک کننده صنعتی می‌توان برای حذف گرما از منابع مختلف مانند ماشین آلات یا موادی که دارای فرآیند گرمازا هستند استفاده کرد. کاربرد اصلی برج‌های خنک کننده صنعتی بزرگ، حذف گرمای جذب شده در سیستم‌های خنک کننده آب در گردش مورد استفاده در نیروگاه‌ها، پالایشگاه‌های نفت، پتروشیمی، کارخانه‌های فرآوری گاز طبیعی، کارخانه‌های فرآوری مواد غذایی، کارخانه‌های نیمه‌هادی و سایر صنایع است. امکاناتی مانند کندانسور، ستون‌های تقطیر، خنک‌کننده مایع در تبلور و غیره است.

طبقه بندی بر اساس ساخت:

برج‌های خنک کننده می‌توانند بر اساس ساختارشان متفاوت باشند که شامل موارد زیر است:

• نوع آماده

پوسته در این نوع به دلیل مقاومت در برابر حرارت و همچنین دوام بالا با موادی مانند پلی استر تقویت شده با فایبرگلاس طراحی می‌شود و همچنین مواد مورد استفاده برای ایجاد پوسته در این نوع باید بدون خوردگی باشد. بدنه این نوع پیش ساخته و فشرده است و از این رو حمل و نقل آن نیز آسان است. نوع بسته بندی در تاسیساتی که نیاز به دفع حرارت کم است، استفاده می‌شود. مانند ساختمان‌های اداری، بیمارستان‌ها و مراکز خرید. به دلیل استفاده مکرر از آن‌ها در مناطق مسکونی یا نزدیک به آن، کنترل سطح صدا موضوع نسبتاً مهمتری برای برج‌های خنک کننده از این نوع پکیج آماده است.

• نوع ساخت در محل

بر خلاف نوع پکیج، این نوع برج خنک‌کننده صنعتی بزرگ است و به دلیل ظرفیت بیشتر دفع حرارت در تاسیسات عظیمی مانند نیروگاه‌ها، کارخانه‌های فرآوری فولاد، پالایشگاه‌های نفت و یا پتروشیمی استفاده می‌شود. آن‌ها را می‌توان با نیازهای صنعتی شما و بر اساس مشخصات سفارشی تنظیم کرد.

روش‌های تولید جریان هوا:

با توجه به استفاده هوا از طریق برج، سه نوع برج خنک کننده وجود دارد: مکش طبیعی، مکش مکانیکی و میکس مکش طبیعی و فن.

مکش طبیعی

شکل و طراحی در این نوع باعث می‌شود که هوا به طور طبیعی در سراسر برج جریان یابد. قانون چگالی مختلف بین هوای گرم و هوای محیط این فرآیند را ممکن می‌سازد. هوای گرم و مرطوب بیشتر فعال است تا هوای خنک و از داخل برج به سادگی بالا می‌رود، در حالی که هوای خنک و خشکی که بیرون برج است، از بالای برج وارد می‌شود. این فرآیند در یک حلقه اتفاق می‌افتد و در نتیجه آب خنک می‌شود. برج‌های مکش طبیعی معمولا در خارج از ساختمان قرار می‌گیرند تا جریان هوای مناسبی داشته باشند.

مکش مکانیکی

این نوع برج خنک‌کننده به یک فن نیاز دارد تا هوا را از طریق سیستم عبور دهد تا یکی از مراحل ضروری خنک کردن آب جاری در سیستم با کمک این هوا صورت گیرد. این هوا با کمک فن‌های پروانه‌ای یا گریز از مرکز به گردش در می‌آید. سرعت فن قابل کنترل است و در نتیجه کنترل ظرفیت سیستم خنک کاری نیز آسان می‌شود. در مقایسه با نوع مکش طبیعی، این یکی ساختار بسیار کوچکتری دارد. کارایی نوع کشش مکانیکی بسیار بیشتر از برج‌های کشش طبیعی است و بر خلاف آن، در صورت تخلیه مناسب می‌توانند در هر نقطه‌ای از داخل ساختمان قرار گیرند. اما یکی از معایب آن‌ها این است که نسبت به نوع دیگر برق بیشتری مصرف می‌کنند و هزینه بیشتری برای کارکرد دارند.

برج‌های خنک کننده کششی مکانیکی، خود از 2 نوع تشکیل شده‌اند که به شرح زیر می‌باشد.

4. کشش القایی

کشش القایی یک برج کشش مکانیکی به کمک یک فن در قسمت تخلیه (در بالا) است که هوا را از طریق برج به بالا می‌کشد. فن هوای مرطوب داغ را از محل تخلیه خارج می‌کند. این سرعت هوای ورودی و خروجی کم را ارمغان می‌آورد و امکان چرخش مجدد را کاهش می‌دهد که در آن هوای تخلیه شده به داخل ورودی هوا برنمی‌گردد. این چیدمان فن/باله به عنوان کشش عبوری نیز شناخته می‌شود.

2. کشش اجباری

کشش اجباری یک برج کشش مکانیکی با یک فن از نوع دمنده در ورودی است. فن هوا را وارد برج می‌کند و سرعت هوای ورودی و خروجی بالا را ایجاد می‌کند. سرعت خروج پایین بسیار مستعد چرخش مجدد است. با وجود فن روی ورودی هوا، فن بیشتر در معرض عوارض ناشی از شرایط یخ‌زدگی است. یکی دیگر از معایب این است که یک طراحی کشش اجباری معمولاً به اسب بخار موتور بیشتری نسبت به طراحی پیش ران القایی معادل نیاز دارد. مزیت طراحی مکش اجباری توانایی آن در کار با فشار استاتیکی بالا است. چنین تنظیماتی را می‌توان در فضاهای محدودتر و حتی در برخی شرایط داخلی نصب کرد. این هندسه فن/باله نیز به عنوان دمنده شناخته می‌شود.

میکس مکش طبیعی و فن

بادکش طبیعی به کمک فن یک نوع هیبریدی است که مانند یک مکش طبیعی به نظر می‌رسد، اگرچه جریان هوا توسط یک فن در صورت نیاز شکل می‌گیرد.

این مقاله راجع به برج خنک کننده است که یک نوع مبدل حرارتی است که با تبادل حرارتی بین آب گرم و هوای خنک، دمای آب را کاهش می‌دهد. برج خنک کننده در صنایع مختلفی مانند پالایشگاه‌ها، نیروگاه‌ها، سیستم‌های تهویه مطبوع و غیره کاربرد دارد. برج خنک کننده را می‌توان بر اساس نوع تماس هوا با آب، نوع جابه‌جایی هوا و نوع تبخیر آب دسته‌بندی کرد. در ادامه به شرح این دسته‌بندی‌ها و مزایا و معایب هر نوع برج خنک کننده می‌پردازیم.

دسته‌بندی اول بر اساس نوع تماس هوا با آب

بر اساس نوع تماس هوا با آب، برج خنک کننده را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد: برج خنک کننده تماسی (contact cooling tower) و برج خنک کننده غیرتماسی (non-contact cooling tower).

تماسی

در این نوع برج خنک کننده، هوای خنک و آب گرم با یکدیگر تماس مستقیم دارند و حرارت از آب به هوا منتقل می‌شود. این تبادل حرارتی می‌تواند به صورت حسی (sensible heat transfer) یا نهان (latent heat transfer) باشد. در حالت حسی، فقط دمای آب و هوا تغییر می‌کند ولی در حالت نهان، علاوه بر دما، فاز آب نیز تغییر می‌کند و قسمتی از آب به بخار تبدیل شده و با هوا مخلوط می‌شود. در این حالت، رطوبت نسبی هوا افزایش می‌یابد و دمای آب پایین‌تر از دمای حباب خشک هوا (dry-bulb temperature) می‌آید.

برج خنک کننده تماسی را می‌توان به دو زیرگروه تقسیم کرد: برج خنک کننده خشک (dry cooling tower) و برج خنک کننده مرطوب (wet cooling tower).

برج خنک کننده خشک

در این نوع برج خنک کننده، فقط تبادل حسی صورت می‌گیرد و آب به صورت جامد چگال شده در لوله‌های فلزی قرار دارد. هوای خارج از لوله‌ها با عبور از سطح لوله‌ها، حرارت را از آب می‌گیرد و دمای آب را کاهش می‌دهد. این نوع برج خنک کننده مزایایی مانند عدم تبخیر آب، عدم نیاز به تصفیه آب، عدم تولید آلودگی و عدم تأثیر از دمای حباب مرطوب هوا دارد. ولی معایبی مانند افزایش هزینه سرمایه‌گذاری، افزایش مصرف انرژی، کاهش بازده حرارتی و نیاز به فضای بیشتر نیز دارد که به این نوع کولینگ تاور مدار بسته نیز می گویند.

برج خنک کننده مرطوب

در این نوع برج خنک کننده، هم تبادل حسی و هم تبادل نهان صورت می‌گیرد و آب به صورت روان در شبکه‌های پرکننده (fill) قرار دارد. شبکه‌های پرکننده باعث افزایش سطح تماس بین آب و هوا می‌شوند و حرارت را از آب به هوا منتقل می‌کنند. قسمتی از آب به بخار تبدیل شده و با هوا خارج می‌شود. این نوع برج خنک کننده مزایایی مانند کاهش هزینه سرمایه‌گذاری، کاهش مصرف انرژی، افزایش بازده حرارتی و نیاز به فضای کمتر دارد. ولی معایبی مانند تبخیر آب، نیاز به تصفیه آب، تولید آلودگی و تأثیر از دمای حباب مرطوب هوا نیز دارد که به این نوع نیز کولینگ تاور مدار باز می گویند.

برج خنک کننده مرطوب را می‌توان به سه زیرگروه تقسیم کرد: برج خنک کننده جامد چگال (counterflow cooling tower) برج خنک کننده جامد گسسته (crossflow cooling tower) و برج خنک کننده جامد پخش شده (spray cooling tower).

برج خنک کننده جامد چگال

در این نوع برج خنک کننده، جهت جریان هوا و آب در جهات مخالف یکدیگر است. آب از بالا به پایین سروش می‌کند و هوا از پایین به بالا جابه‌جا می‌شود. این نوع برج خنک کننده بازده حرارتی بالاتری دارد چون هوای سرد با آب گرم‌تر و هوای گرم با آب سردتر تماس دارد. ولی این نوع برج خنک کننده نسبت به سایر انواع حساس‌تر به شوری آب است.

برج خنک کننده جامد گسسته

در این نوع برج خنک کننده، جهت جریان هوا و آب در جهات عمود بر یکدیگر است. آب از بالا به پایین حرکت میکند و این تماس آب و هوا باعث خنک شدن آب شده و عملکرد کولینگ تاور تکمیل می شود.

برج خنک کن‌ را با توجه به موارد زیر نیز می‌توان دسته‌بندی کرد.

البته باید توجه داشت که یک برج خنک کن می‌تواند ترکیبی از هر کدام از دسته‌های زیر باشد و این دسته‌بندی صرفاً برای نشان دادن وضعیت عملکرد برج خنک کن‌ها در حالات زیر می‌باشد:

۱- نیروی محرک جریان هوا

برج خنک کن‌ ها از لحاظ اینکه نیروی جریان دهنده هوا طبیعی یا مکانیکی باشد به دو دسته تقسیم می‌شوند:

برج خنک‌ کن فن دار (مکانیکی)

در برج‌های فن دار یک یا چند فن وظیفه به جریان درآوردن هوا را در داخل برج خنک کن دارند.

در این نوع تا زمانی که فن روشن است جریان هوا بین محیط داخل برج و بیرون برقرار است همچنین نسبت به برج‌های بدون فن فضای کمتری را اشغال می‌کنند. اما مهم‌ترین عیب این نوع صدا و لرزشی است که فن یا فن‌ها ایجاد می‌کنند.

برج خنک کن بدون فن (طبیعی)

در برج‌های بدون فن جریان هوا به صورت طبیعی ما بین برج و محیط بیرون جابجا می‌شود.

از جمله مزایا این دسته می‌توان به مصرف کمتر انرژی الکتریکی، صدای کم، قطعات متحرک کمتر و عدم پاشیدن آب به فضای اطراف و از معایب آن می‌توان به راندمان پایین‌تر و هزینه بیشتر جهت ساخت آن، اشاره کرد.

۲- مکانیسم انتقال حرارت

برج خنک کننده از نظر شیوه‌های انتقال حرارتی به سه دسته تقسیم می‌شوند.

برج خنک کننده مرطوب

در برج خنک کن‌ مرطوب (Wet-Cooling Tower) آب گرم از بالای برج با عبور از پکینگ‌ها و برخورد با جریان هوای تازه که از محیط بیرون توسط فن یا به صورت طبیعی وارد برج می‌شود ضمن تبادل حرارتی و خنک شدن در پایین برج ته‌نشین می‌شود.

مهم‌ترین عیب این سیستم پاشیدن ذرات آب به اطراف و همچنین تبخیر بیش از حد آب می‌باشد.

برج خنک کننده خشک

در مناطقی که بعلت عدم وجود آب کافی باید از اتلاف آب و تبخیر بیشتر جلوگیری نمود از برج خنک کن‌ خشک (HELLER) هِلِر (Dry-Cooling Tower) استفاده می‌شود. در این دسته، آب گرم به جای عبور از پکینگ‌ها از لوله‌های پره دار که با هوای سرد در تماس می‌باشند عبور کرده و خنک می‌گردد.

از معایب این سیستم کاهش راندمان با افزایش دمای محیط اطراف می‌باشد.

برج خنک کننده خشک مرطوب

این نوع، ترکیبی از برج خنک کن‌ خشک و مرطوب بوده و برای کاهش عوارض و معایب دو سیستم فوق بکار می‌رود. برج خنک کننده خشک مرطوب (Dry-Wet Cooling Tower) دارای دو مسیر هوا به صورت موازی و دو مسیر آب به صورت سری می‌باشند. آب گرم ابتدا وارد لوله‌های پره دار و سپس وارد پکینگ‌ها می‌شود و در طول این مسیر با هوای سرد تبادل حرارتی داشته و آب سرد در پایین برج جمع می‌گردد.

۳- نحوه برخورد جریان‌های آب و هوا

برج خنک کننده بر مبنای جهت برخورد جریان‌های آب گرم با هوای سرد به دو دسته تقسیم می‌شوند.

برج خنک کن با جریان هوای متقاطع

دراین حالت هوایی که از محیط بیرون وارد برج می‌شود به صورت متقاطع با جریان آب برخورد می‌کند.

برج خنک کن با جریان هوای مخالف

در این حالت جریان هوا به صورت مخالف با جریان آب برخورد می‌کند.

اساس کار تمام برج خنک کن‌ها بر مبنای ایجاد سطح تماس بیشتر بین جریان آب گرم و هوای سرد و در نتیجه تبادل حرارتی بین این دو می‌باشد. عموماً در برج خنک کن‌ها آب گرم توسط لوله‌هایی به بالای برج منتقل شده و در آنجا یا به صورت طبیعی یا با آبفشانهایی به سمت پایین برج به جریان می‌افتد که در طول این مسیر با توجه به نوع برج به شیوه‌های مختلف با جریان هوای سرد برخورد می‌کند.

محل نصب کولینگ تاور

محل نصب برج خنک کن باید بگونه‌ای باشد که مانعی در اطراف آن برای ورود جریان هوای تازه به داخل برج وجود نداشته باشد همچنین در صورت استفاده از چندین برج در کنار هم باید تدبیری اندیشه شود که هوای گرم خروجی از برج‌ها مستقیماً وارد همدیگر نشده تا باعث کاهش راندمان و عدم کارایی برج شوند.

اگر بتوان برج خنک کننده را در فضای باز با جریان هوای آزاد قرار داد در حصول یک بازده مناسب از برج مشکلی وجود نخواهد داشت اما چنانچه قرار باشد برج در داخل ساختمان و محصور بین دیوارها نصب شود موارد زیر بایستی مورد توجه قرار گیرد:

مهم: باید فضای کافی و بدون مانع مزاحم در اطراف برج وجود داشته باشد تا هوای لازم به محفظه کولینگ تاور برسد.

هوای گرم خروجی از برج باید به گونه‌ای تخلیه شود که امکان بازگشت و گردش مجدد آن به برج وجود نداشته باشد زیرا گردش مجدد چنین هوایی در برج دمای مرطوب هوای ورودی به برج را افزایش می‌دهد و باعث گرم ماندن آب در خروج از برج می‌شود.

گردش مجدد هوا به داخل برج هنگامی مورد توجه قرار می‌گیرد که چند برج در مجاورت هم باشند.

تعیین محل نصب برج به عوامل دیگری هم بستگی دارد از قبیل استحکام محل نصب، تجهیزات اضافی برای تقویت آن، هزینه فراهم کردن تجهیزات اضافی برای برج و مسائل مربوط به معماری ساختمان و …

مشکلات برج خنک کننده

خوردگی قطعات داخلی برج، رشد جلبک‌ها و باکتری‌های بیولوژیکی و همچنین تشکیل رسوب در قسمت‌های مختلف برج عمده‌ترین مشکلات به وجود آمده برای یک برج خنک کن هستند.

انواع برج خنک کن بر اساس سیکل گردش آب را مطالعه کردید و بقیه مراحل دسته بندی آن در پست های بعدی منتشر خواهد شد و فلذا همراه ما باشید تا با بروزترین اطلاعات در مورد کولینگ تاورها مشخصات کسب کنید. البته همانطور که گفتیم دسته‌بندی برج‌ های خنک‌کننده به چند صورت انجام می‌گیرد که در این مقاله فقط بر اساس سیکل گردش آب سیستم را به دو دسته مدار باز و مدار بسته تقسیم کردیم.