کولینگ تاور

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 می دهد. برج خنک کننده در صنایع مختلفی مانند پالایشگاه ها، نیروگاه ها، سیستم های تهویه مطبوع و غیره کاربرد دارد. برج خنک کننده را می توان بر اساس نوع تماس هوا با آب، نوع جابه جایی هوا و نوع تبخیر آب دسته بندی کرد. در ادامه به شرح این دسته بندی ها و مزایا و معایب هر نوع برج خنک کننده می پردازیم.

دسته بندی اول بر اساس نوع تماس هوا با آب

بر اساس نوع تماس هوا با آب، برج خنک کننده را می توان 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 می شود. این تبادل حرارتی می تواند به صورت حسی (sensible heat transfer) یا نهان (latent heat transfer) باشد. در حالت حسی، فقط دمای آب و هوا تغییر می کند ولی در حالت نهان، علاوه بر دما، فاز آب نیز تغییر می کند و قسمتی از آب به بخار تبدیل شده و با هوا مخلوط می شود. در این حالت، رطوبت نسبی هوا افزایش می یابد و دمای آب پایین تر از دمای حباب خشک هوا (dry-bulb temperature) می آید.

برج خنک کننده تماسی را می توان 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 می گیرد و آب به صورت جامد چگال شده در لوله های فلزی قرار دارد. هوای خارج از لوله ها با عبور از سطح لوله ها، حرارت را از آب می گیرد و دمای آب را کاهش می دهد. 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 سرمایه گذاری، 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 می گیرد و آب به صورت روان در شبکه های پرکننده (fill) قرار دارد. شبکه های پرکننده باعث افزایش سطح تماس بین آب و هوا می شوند و حرارت را از آب به هوا منتقل می کنند. قسمتی از آب به بخار تبدیل شده و با هوا خارج می شود. این نوع برج خنک کننده مزایایی مانند کاهش هزینه سرمایه گذاری، 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 می توان 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 می کند و هوا از پایین به بالا جابه جا می شود. این نوع برج خنک کننده بازده حرارتی بالاتری دارد چون هوای سرد با آب گرم تر و هوای گرم با آب سردتر تماس دارد. ولی این نوع برج خنک کننده نسبت به سایر انواع حساس تر 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 می توان دسته بندی کرد.

البته باید توجه داشت که یک برج خنک کن می تواند ترکیبی از هر کدام از دسته های زیر باشد و این دسته بندی صرفاً برای نشان دادن وضعیت عملکرد برج خنک کن ها در حالات زیر می باشد:

۱- نیروی محرک جریان هوا

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

برج خنک کن فن دار (مکانیکی)

در برج های 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 برج های بدون فن فضای کمتری را اشغال می کنند. اما مهم ترین عیب این نوع صدا و لرزشی است که فن یا فن ها ایجاد می کنند.

برج خنک کن بدون فن (طبیعی)

در برج های بدون فن جریان هوا به صورت طبیعی ما بین برج و محیط بیرون جابجا می شود.

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

۲- مکانیسم انتقال حرارت

برج خنک کننده از نظر شیوه های انتقال حرارتی به سه دسته تقسیم می شوند.

برج خنک کننده مرطوب

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

مهم ترین عیب این سیستم پاشیدن ذرات آب به اطراف و همچنین تبخیر بیش از حد آب می باشد.

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 می شود. در این دسته، آب گرم به جای عبور از پکینگ ها از لوله های پره دار که با هوای سرد در تماس می باشند عبور کرده و خنک می گردد.

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

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 می رود. برج خنک کننده خشک مرطوب (Dry-Wet Cooling Tower) دارای دو مسیر هوا به صورت موازی و دو مسیر آب به صورت سری می باشند. آب گرم ابتدا وارد لوله های پره دار و سپس وارد پکینگ ها می شود و در طول این مسیر با هوای سرد تبادل حرارتی داشته و آب سرد در پایین برج جمع می گردد.

۳- نحوه برخورد جریان های آب و هوا

برج خنک کننده بر مبنای جهت برخورد جریان های آب گرم با هوای سرد به دو دسته تقسیم می شوند.

برج خنک کن با جریان هوای متقاطع

دراین حالت هوایی که از محیط بیرون وارد برج می شود به صورت متقاطع با جریان آب برخورد می کند.

برج خنک کن با جریان هوای مخالف

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

اساس کار تمام برج خنک کن ها بر مبنای ایجاد سطح تماس بیشتر بین جریان آب گرم و هوای سرد و در نتیجه تبادل حرارتی بین این دو می باشد. عموماً در برج خنک کن ها آب گرم توسط لوله هایی به بالای برج منتقل شده و در آنجا یا به صورت طبیعی یا با آبفشانهایی به سمت پایین برج به جریان می افتد که در طول این مسیر با توجه به نوع برج به شیوه های مختلف با جریان هوای سرد برخورد می کند.

محل نصب کولینگ تاور

محل نصب برج خنک کن باید بگونه ای 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 برج ها 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 گونه ای 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 می دهد و باعث گرم ماندن آب در خروج از برج می شود.

گردش مجدد هوا به داخل برج هنگامی مورد توجه قرار می گیرد 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 جلبک ها و باکتری های بیولوژیکی و همچنین تشکیل رسوب در قسمت های مختلف برج عمده ترین 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 دسته بندی برج های خنک کننده به چند صورت انجام می گیرد که در این مقاله فقط بر اساس سیکل گردش آب سیستم را به دو دسته مدار باز و مدار بسته تقسیم کردیم.