برج های خنک کننده
برج های خنک کن دسته ای از تجهیزات صنعتی و تجاری هستند که برای خنک کردن آب مورد استفاده قرار می گیرند. نحوه عملکرد برج های خنک کننده بسته به نوع برج متفاوت است، ولی به طور کلی وظیفه همه آن ها انتقال حرارت از آب گرم به هوای محیط و در نتیجه کاهش دمای آب است.
برج های خنک کن که با نام انگلیسی آن ها یعنی کولینگ تاور(Cooling Tower) نیز شناخته می شوند، در صنایع مختلف کاربرد دارند. دو کاربرد رایج و شناخته شده آن ها در نیروگاه های بخار و سیستم های سرمایشی است.
برج های خنک کننده خشک در نیروگاه ها به صورت سازه های بلند و قطور، و در پشت بام ساختمان های بزرگ شهری به صورت سازه های استوانه ای یا مکعبی و معمولاً به رنگ سفید قابل تشخیص هستند.
در نیروگاه ها از این برج ها برای خنک کردن آب و سپس ارسال آب خنک شده به کندانسور نیروگاه استفاده می شود. در سیستم های سرمایشی نیز برج های خنک کننده برای خنک کردن آب گرم خارج شده از کندانسور چیلرهای آبی به کار گرفته می شوند.
انواع برج خنک کننده
برج خنک کننده را می توان بر اساس معیارهای مختلفی دسته بندی کرد. از نظر مکانیزم عملکرد این تجهیزات به دو دسته تقسیم می شوند:
- برج خنک کننده خشک: خنک کردن آب با انتقال حرارت از آب به هوا
- برج خنک کننده مرطوب: خنک کردن آب با انتقال حرارت از آب به هوا و تبخیر آب
همچنین از نظر نوع سیکل آب در گردش، برج های خنک کن به دو دسته مدار باز و مدار بسته تقسیم می شوند:
- برج خنک کننده مدار بسته: در این برج ها، آب فرآیندی با هوای بیرون تماس مستقیم ندارد و با عبور از داخل یک مبدل حرارتی خنک می شود. در بیشتر موارد، تنها از هوا برای خنک کردن آب استفاده می شود بدین صورت که هوا از سطح خارجی مبدل عبور کرده و حرارت را از آب در جریان داخل مبدل دریافت می کند، ولی نمونه های کمی از برج های مدار بسته وجود دارند که در آن ها علاوه بر عبور هوا، از پاشش آب بر روی سطح خارجی مبدل و تبخیر آن نیز برای بهبود عملکرد برج استفاده می شود. مزیت سیستم های مدار بسته آن است که کیفیت آب فرآیندی حفظ شده و آلودگی های موجود در هوا وارد آن نمی شوند.
- برج خنک کننده مدار باز: در برج های مدار باز، آب فرآیندی مستقیماً با هوا تماس پیدا کرده و بخشی از آن تبخیر می شود. بدین ترتیب برج های مدار باز همگی از نوع مرطوب هستند.
با توجه به این که برج های مدار بسته عموماً از نوع برج های خشک بوده و برج های مدار باز همگی از نوع برج های مرطوب هستند، گاهی برج مدار بسته معادل برج خشک، و برج مدار باز معادل برج مرطوب در نظر گرفته می شود.
شما میتوانید از قمیت برج خنک کننده نیز آگاهی پیدا کنید.
برج خنک کننده خشک
در برج خنک کننده خشک، آب درون مبدل های حرارتی(کویل) هوا خنک، جریان یافته و با عبور هوا از بین پره ها و لوله های این مبدل ها، حرارت از آب به هوای محیط منتقل می شود؛ بنابراین مکانیزم اصلی انتقال حرارت در برج خشک، جابه جایی است و به همین دلیل در این نوع از برج های خنک کن، آب مصرف نمی شود. برج های خشک خود بر اساس نحوه ایجاد جریان هوا به دو دسته جریان طبیعی و جریان اجباری تقسیم می شوند.
در برج های با جریان طبیعی، کویل های حاوی سیال خنک شونده در پایین برج نصب می شوند. با انتقال حرارت از سیال گرم داخل مبدل به هوای داخل برج، هوا گرم شده و چگالی آن کاهش می یابد. درباره فن کویل بیشتر بدانید.
به دلیل اختلاف چگالی هوای داخل برج و بیرون آن(اثر دودکشی)، هوای داخل برج رو به بالا جریان می یابد و در پایین برج مکش ایجاد می شود که موجب ورودی هوای اطراف به داخل برج و در نتیجه عبور از روی کویل ها می شود.
هر چه ارتفاع برج بیشتر باشد مکش آن نیز قوی تر خواهد بود. به همین دلیل این برج ها باید با ارتفاع زیاد ساخته شوند تا مکش لازم برای ایجاد جریان هوای کافی شکل بگیرد.
در برج های خشک با جریان اجباری، جریان هوا توسط فن ایجاد می شود و لذا نیازی به ساخت برج با ارتفاع زیاد نیست.
برج خنک کن مرطوب
برج خنک کننده مرطوب از دسته مبدل های حرارتی آب-هوا با تماس مستقیم هستند. به طور کلی طرز کار این برج ها به این صورت است که آب گرم ورودی از بالا بر روی پکینگ برج پاشیده شده و هوا بسته به نوع برج از پایین به بالا(جریان مخالف) یا در راستای افقی(جریان متقاطع ) از منافذ و مجاری پکینگ عبور می کند.
در برج خنک کننده مرطوب، آب از طریق دو مکانیزم تبخیر و انتقال حرارتِ جا به جایی خنک می شود، ولی مکانیزم غالب جذب حرارت از طریق تبخیر است، به این صورت که با عبور هوا از روی ذرات آب، مقدار کمی از آب، تبخیر شده و دمای آب باقیمانده کاهش می یابد.
در نهایت، آب خنک شده در پایین برج جمع آوری شده و دوباره به کندانسور یا سیستم خنک کاری دیگر پمپاژ می شود. درباره کندانسور تبخیری بیشتر بدانید.
همان طور که در مورد برج خنک کننده خشک گفته شد، برج های مرطوب نیز به دو نوع برج های جریان طبیعی و برج های جریان اجباری، دسته بندی می شوند. برج های با جریان طبیعی به دلیل ارتفاع زیاد مورد نیاز آن ها، هزینه ساخت بالایی دارند ولی هزینه جاری آن ها نسبت به برج های جریان اجباری بسیار کمتر است.
برج های دارای فن در دو نوع ID و FD ساخته می شوند. فن های ID در خروجی برج خنک کننده قرار می گیرند و با مکش هوای داخل برج به محیط بیرون، جریان هوا را ایجاد می کنند، ولی فن های FD در ورودی برج، نصب می شوند و هوا را به داخل برج می دمند. هزینه ساخت آن ها نسبت به برج های جریان طبیعی کمتر است، چرا که نیازی به داشتن ارتفاع زیاد ندارند، ولی در عوض به دلیل وجود فن، مصرف انرژی و هزینه عملیاتی بیشتری دارند.
برج های مرطوب را می توان از نظر جهت جریان هوا نیز به دو دسته جریان متقاطع و جریان مخالف تقسیم کرد. در برج های جریان متقاطع، هوا در راستای عمود بر جهت آب از پکینگ برج عبور می کند و در برج های جریان مخالف، هوا از زیر پکینگ وارد شده و در خلاف جهت آب، جریان می یابد.
از نظر شکل ظاهری، برج های جریان طبیعی خشک و مرطوب، شبیه هم هستند؛ ولی ساختار داخلی و اجزاء آن ها کاملا متفاوتند. در شکل زیر یک نمونه برج خنک کن مرطوب با جریان طبیعی نشان داده شده است.
برج های خنک کن ترکیبی(هیبریدی)
برج های هیبریدی دسته ای از برج خنک کننده هستند که در واقع ترکیبی از برج های خنک کن خشک و مرطوب بوده و برای بهره بردن هم زمان از مزایای برج های خشک و مرطوب و کاهش مشکلات مربوط به آن ها طراحی شده اند.
در قسمت بالایی برج های هیبریدی مبدل های حرارتی هوایی قرار می گیرند که قسمت خشک برج را تشکیل می دهند. آب گرم ورودی به برج ابتدا وارد این مبدل ها شده و قسمتی از حرارت خود را از دست می دهد. سپس وارد قسمت پایینی می شود که بخش مرطوب برج بوده و دارای ساختمان و عملکردی مشابه برج های مرطوب است.
در این قسمت، آب رو به پایین اسپری شده، با هوای ورودی به برج تبادل حرارت می کند و قسمتی از آن تبخیر می شود. بدین ترتیب آب تا دمای مورد نظر خنک می شود. برج های هیبریدی در مقایسه با برج های مرطوب اثرات زیست محیطی و مصرف آب کمتری دارند و بازده آن ها از برج های خشک بیشتر است.
مقایسه انواع برج های خنک کن
به طور کلی برج خنک کننده مرطوب بازده انتقال حرارت و توان خنک کنندگی بیشتری دارند، ولی مشکل آن ها مصرف زیاد آب است. علاوه بر این، عملکرد این برج ها وابستگی زیادی به میزان رطوبت هوا داشته و ظرفیت خنک کنندگی آن ها با افزایش رطوبت هوا کاهش می یابد.
از نظر سازه و ساختمان، برج های خنک کن با جریان طبیعی باید با ارتفاع زیادی ساخته شوند تا میزان مکش طبیعی هوا توسط برج به حد مورد نیاز برسد. برج های خنک کن با جریان اجباری در اندازه های کوچکتر ساخته می شوند، ولی برای ایجاد جریان هوا نیاز به فن های با موتور الکتریکی و در نتیجه مصرف انرژی دارند.
از طرف دیگر، در بین برج های مرطوب با جریان اجباری، برج های با جریان متقاطع عموماً سطح بیشتری از زمین را نسبت به برج های جریان مخالف اشغال می کنند و وزن بیشتری نیز دارند؛ در عوض، برج های جریان مخالف دارای ارتفاع بیشتری هستند. همچنین به طور کلی، بازده انتقال حرارت در حالت جریان مخالف بیشتر از حالت جریان متقاطع است.
انتخاب نوع برج خنک کن
انتخاب نوع برج خنک کننده بر اساس شرایط واحد صنعتی یا سیستم تهویه و همچنین شرایط آب و هوایی منطقه، انجام می گیرد. به عنوان مثال در مناطق خشک و کم آب، به دلیل مصرف زیاد آب در برج های مرطوب، برج خشک، مناسب تر به نظر می رسد.
شما برای آگاهی بشتر میتوانید مقاله اصول کنترل رطوبت و رطوبت گیری در سیستم تهویه مطبوع را بخوانید.
همچنین، در مواردی که آب ورودی به برج خنک کن دارای خاصیت اسیدی است، معمولا از برج با فن FD استفاده می شود، چرا که ذرات آب موجود در هوای خروجی به تدریج باعث خوردگی و فرسایش فن ID و تجهیزات آن می شوند.
عوامل دیگری همچون سر و صدای کمتر فن ID، محدودیت های مالی و فنی در ساخت برج های جریان طبیعی، خنک کنندگی بیشتر برج های مرطوب نسبت به برج های خشک و … از عوامل دیگری هستند که باید در انتخاب نهایی مد نظر قرار گیرند.
قیمت برج های خنک کن
عوامل مختلفی بر قیمت برج های خنک کن تأثیرگذار هستند که مهم ترین آن ها عبارتند از:
- نوع برج خنک کننده
- ظرفیت سرمایشی برج
- جنس بدنه (گالوانیزه یا فایبرگلاس)
- کیفیت قطعات به کار رفته در ساخت برج (پکینگ، اتصالات، موتور، پروانه و …)
اجزاء برج های خنک کن مرطوب
با توجه به این که برج خنک کننده مدار باز مرطوب کاربرد بیشتری در صنعت تبرید و تهویه مطبوع دارند، در ادامه توضیحات بیشتری در خصوص اجزاء مختلف این برج ها ارائه می شود.
اجزاء اصلی برج خنک کننده مرطوب عبارتند از: حوضچه آب سرد، سازه برج، پکینگ، قطره گیرها، فن، الکتروموتور، لوله های آب، سیلندر و سازه نگهدارنده فن، پنجره های ورود هوا، شیر های آب، نازل ها و سیستم های الکتریکی و ابزار دقیق. در ادامه، توضیحاتی راجع به مهم ترین این اجزاء ارائه خواهد شد.
حوضچه آب سرد
این حوضچه که یکی از بخش های اساسی برج است و در پایین آن قرار می گیرد، دو وظیفه بر عهده دارد؛ نخست، جمع آوری آب خنک شده در برج و دوم، نقش آن به عنوان پایه برای سازه برج خنک کن است.
پکینگ(Packing یا Fill)
در برج های مرطوب، برای افزایش سطح و زمان تماس آب با هوا از پکینگ استفاده می شود. با استفاده از پکینگ، نرخ تبخیر و انتقال حرارت و در نتیجه میزان خنک کنندگی برج افزایش می یابد. پکینگ های مورد استفاده در برج های خنک کننده به دو دسته اسپلش و فیلمی تقسیم می شوند.
- پکینگ های اسپلش(Splash): از نوارها یا تیرهایی تشکیل می شوند که با آرایش ضربدری از بالا به پایین قرار می گیرند. آب پس از پاشیده شدن روی اولین ردیف این نوارها، پخش شده و روی ردیف بعدی می ریزد. در ردیف های بعد نیز این عمل تکرار شده و باعث افزایش سطح و زمان تماس آب گرم با هوای خنک می شود.
پکینگ های اسپلش در انواع مختلف با شکل های متفاوت ساخته می شوند، ولی به طور کلی هر پکینگی که طبق مکانیزم گفته شده در بالا عمل کند، در زمرهی پکینگهای اسپلش قرار میگیرد. در شکل زیر چند نمونه از پکینگ های اسپلش نشان داده شده اند.
معمولا شکل و نحوه چیدمان نوارهای پخش کننده در پکینگ های اسپلش به گونه ایست که در راستای عمودی، بیشترین مقاومت را در برابر جریان هوا از خود نشان می دهند. به همین دلیل، در برج های خنک کن جریان مخالف به ندرت از این نوع پکینگ، استفاده می شود.
با توجه به اینکه در پکینگ های اسپلش، لایه آب بر روی پکینگ تشکیل نمی شود، ذرات جامد معلق یا ذرات آلاینده هوا ایجاد رسوب نمی کنند. این مسئله باعث ثابت بودن راندمان برج در طول مدت زمان کارکرد دستگاه و در نتیجه کاهش هزینه های نگهداری و تعمیرات می شود.
- پکینگ های فیلمی(Film): نوع دوم پکینگ های مورد استفاده در برج های خنک کن، پکینگ های فیلمی هستند. این نوع پکینگ عمدتاً از طریق افزایش سطح تماس آب با هوا میزان انتقال حرارت را افزایش می دهد؛ به طوری که در یک حجم ثابت، سطح تماس بسیار بیشتری بین آب و هوا ایجاد می کند. این پکینگ ها از صفحات موج داری تشکیل می شوند که به صورت عمودی در برج خنک کن نصب می شوند. آب خارج شده از نازل از بالا روی این صفحات ریخته می شود و ضمن حرکت آن از بالا به پایین برج، لایه نازکی از آب روی این صفحات موج دار تشکیل می شود. بدین ترتیب سطح تماس آب و هوا و در نتیجه خنک کنندگی برج افزایش می یابد.
دلیل استفاده از صفحات موج دار در این نوع پکینگ، ایجاد اغتشاش بیشتر در جریان هوا و همچنین، افزایش هرچه بیشتر سطح تماس آب با هواست. در شکل زیر چند نمونه پکینگ فیلمی نشان داده شده است.
به دلیل این که در پکینگ فیلمی، لایه نازکی از آب بر روی سطوح ایجاد می شود و مقداری از این آب تبخیر می گردد، سطوح و مجراهای آن در صورت بالا بودن سختی آب یا آلوده بودن هوای محیط اطراف، به سرعت دچار گرفتگی شده و در نتیجه راندمان برج کاهش می یابد.
لذا پکینگ فیلمی برای چنین شرایطی مناسب نیست. یکی دیگر از معایب این نوع پکینگ در مقایسه با پکینگ اسپلش، اهمیت زیاد توزیع یکنواخت آب ورودی به پکینگ است. در پکینگ اسپلش، آب با عبور از هر ردیف میله ها یا نوارها، پخش می شود و به طور خودکار توزیع تقریباً یکنواختی پیدا می کند.
به همین دلیل، در پکینگ اسپلش عدم یکنواختی توزیع آب در ورودی پکینگ تاثیر زیادی بر عملکرد برج نخواهد داشت، اما در پکینگ فیلمی، امکان پخش شدن آب پس از ورود آن به پکینگ وجود ندارد و یکنواختی توزیع اولیه آب در ورودی پکینگ اهمیت زیادی دارد.
با توجه به این موارد برج های خنک کننده ای که از پکینگ فیلمی استفاده می کنند، نیاز بیشتری به دقت در طراحی، نصب تجهیزات و نگهداری آن ها دارند که این امر، افزایش هزینه ها را در پی دارد.
از طرف دیگر، مزیت مهمی که پکینگ فیلمی نسبت به اسپلش از آن برخوردار است، خنک کنندگی بیشتر آن است. در واقع اگر دو برج هم اندازه و مشابه وجود داشته باشند که یکی دارای پکینگ فیلمی و دیگری دارای پکینگ اسپلش باشد، برج با پکینگ فیلمی آب را بیشتر خنک می کند.
با توجه به تمام این مزایا و معایب، می توان گفت در مواردی که شرایط نگهداری و کیفیت آب و هوای ورودی به برج مناسب هستند، از هر دو نوع پکینگ می توان استفاده کرد، گرچه پکینگ فیلمی خنک کنندگی بیشتری ایجاد می کند؛ ولی در صنایعی با آب سخت، هوای آلوده یا شرایط نگهداری نامناسب، پکینگ اسپلش انتخاب بهتری خواهد بود.
قطره گیرها (Drift Eliminators)
در برج های خنک کننده مرطوب، به دلیل تماس مستقیم بین آب و جریان هوا، مقداری از آب به صورت ذرات یا قطرات ریز با جریان هوا همراه می شود. این قطرات آب، بدون این که اثری در خنک کنندگی داشته باشند میزان هدر رفت آب در برج خنک کن را افزایش می دهند.
به همین دلیل، در خروجی پکینگ قطره گیرها قرار داده می شوند. قطره گیرها به صورت مجراهای مارپیچی هستند که قطرات آب مایع موجود در جریان هوا در پیچ و خم مجراهای آن ها به دام می افتند و به این صورت از خروج این قطرات از برج و هدر رفت آب جلوگیری می کنند.
فن
فن وظیفه ایجاد جریان هوا در برج خنک کننده را بر عهده دارد. هر چه افت فشار هوا ناشی از پکینگ، قطره گیرها و دیگر بخش های برج بیشتر باشد باید از فن قوی تری، استفاده شود.
فن ها در دو نوع ID(Induced Draft) و FD(Forced Draft) به کار برده می شوند. فن های ID در خروجی برج خنک کننده قرار می گیرند و با مکش هوای داخل برج به محیط بیرون، جریان هوا را ایجاد می کنند، لذا در این حالت، فشار هوای داخل برج، کمتر از فشار هوای محیط بیرون است. فن FD در ورودی برج، نصب می شود و هوا را به داخل برج می دمد که باعث می شود فشار هوای داخل برج، بیشتر از فشار هوای محیط باشد.
جنس پره های فن می تواند از آلومینیوم، فایبرگلاس یا فولاد گالوانیزه باشد. در این بین، استفاده از فایبرگلاس به علت وزن کم آن می تواند مصرف انرژی الکتروموتور فن را تا حدودی کاهش دهد.
پره های فن در برج خنک کننده معمولاً طوری طراحی می شوند که زاویه ی پره های آن ها قابل تغییر باشد. با افزایش زاویه پره ها می توان هوادهی فن و در نتیجه خنک کنندگی برج را افزایش داد، که البته این کار فشار بیشتری به موتور فن وارد کرده و مصرف انرژی آن را نیز افزایش می دهد.
همچنین برای آگاهی بیشتر شما میتوانید مقاله آنچه باید در مورد فن سردخانه بدانید را بخوانید.
پنجره های ورود هوا (Air Inlet Louver)
پنجره های ورود هوا با دو هدف در محل ورود هوا به برج نصب می شوند:
- جلوگیری از پاشیده شدن آب به بیرون برج
- توزیع یکنواخت جریان هوای ورودی به پکینگ
البته در برج های جریان طبیعی از کرکره های ورودی هوا به منظور کنترل دبی هوای ورودی نیز استفاده می شود.
نازل های پاشش آب
نازل ها به منظور پاشش یکنواخت آب بر روی پکینگ، مورد استفاده قرار می گیرند. این یکنواختی به خصوص در مورد برج هایی با پکینگ فیلم دارای اهمیت زیادی است.
تجهیزات الکتریکی و ابزار دقیق
این تجهیزات شامل سوئیچ های کنترل سطح آب در مخازن آب سرد و گرم، ترموکوپل های اندازه گیری دمای آب گرم ورودی و آب سرد خروجی، دبی سنج برای اندازه گیری دبی آب جبرانی و … هستند.