برج خنک کننده جریان طبیعی چیست+کاربرد آن

برج خنک کننده جریان طبیعی (natural draft cooling tower) نوعی مبدل حرارتی است که آب گرم را با استفاده از تماس مستقیم با هوا، سرد می کند.

این برج ها در نیروگاه ها، پتروشیمی ها و پالایشگاه ها استفاده می شوند. برج خنک کننده جریان طبیعی بر اساس مکانیسم همرفت طبیعی کار می کند. در این مقاله قصد بررسی نحوه کار و کاربردهای این نوع از برج خنک کننده ها را داریم.

برج خنک کننده جریان طبیعی چگونه کار می کند؟

برج های خنک کن جزو مهم ترین و پرکاربردترین مبدل های حرارتی به شمار می آیند. وظیفه اصلی این تجهیز، انتقال گرمای آب به هوای اتمسفری است.

این نوع از مبدل های حرارتی روشی نسبتا ارزان و مطمئن برای خنک کاری به حساب می آیند. روش کار تمام برج های خنک کن به این گونه است که مطابق با چرخه شکل زیر، آب خنک کاری از کندانسور و یا هر منبع گرمای دیگری توسط پمپ به برج فرستاده می شود.

پس از کاهش دما، آب دوباره به کندانسور بازگشته و این روند تکرار می شود. در شکل زیر، یک منبع آب را مشاهده می کنید که علت استفاده از آن، تبخیر مقداری از آب در برج خنک کننده و نیاز به آب جبرانی برای ثابت نگه داشتن دبی است.

برج های خنک کننده بر اساس نحوه حرکت جریان هوا به دو نوع تقسیم می شوند. در نوع اول که برج خنک کننده جریان مکانیکی است، با استفاده از مجموعه ای از فن ها هوا به داخل برج هدایت می شود.

نوع دوم که برج خنک کننده جریان طبیعی نام دارد، با استفاده از مکانیسم همرفت طبیعی هوا، جریانی ایجاد می کند که از سمت پایین وارد برج شده و از بالای برج، خارج می شود.

برج خنک کننده جریان طبیعی، سازه بسیار بزرگ بتنی است که معمولا به دلیل اندازه بزرگ برای کاربردهایی استفاده می شود که نرخ دبی آب بیشتر از 45000 مترمکعب بر ساعت باشد.

ساختار برج خنک کننده جریان طبیعی بسیار ساده بوده و این برج چیزی جز یک دودکش عظیم با انحنای خاص نیست. در داخل برج، آب از قسمت میانی اسپری شده و همزمان، هوا از سمت پایین یا اطراف به سمت بالای برج حرکت می کند. انتقال حرارت میان آب و هوا از دو مکانیسم زیر انجام می شود:

• انتقال حرارت همرفتی بین سطوح قطرات آب و هوا به دلیل اختلاف دمای قطرات آب و هوا
• تبخیر آب و کاهش دمای آن به دلیل گرماگیر بودن فرایند تبخیر

معمولا حدود 80 درصد انتقال حرارت به دلیل تبخیر بخشی از آب انجام می شود. مطابق با تصویر زیر، یک برج خنک کننده جریان طبیعی از اجزای زیر تشکیل شده است:

• یک یا چند لوله آب عمودی برای انتقال آب گرم به ارتفاع مناسب جهت توزیع در یک صفحه ثابت
• نازل های اسپری کننده که جریان آب را به قطرات ریز تبدیل می کنند
• پوسته بتنی که باعث امکان پذیر شدن حرکت جریان هوا به داخل برج می شود
• بستر زیرین که آب سرد را جمع کرده و آماده ارسال دوباره به مبدا می کند
• سازه های فلزی مناسب جهت نگهداری از سازه بتنی برج

برای بررسی دقیق تری عملکرد یک برج خنک کن جریان طبیعی، یک استوانه با طول 15 متر و 12 متر را در نظر بگیرید که توسط سازه های متعددی، نگه داشته شده است.

همچنین بخوانید: قیمت برج خنک کننده | طراحی و ساخت کولینگ تاور

حال اگر شروع به اسپری آب گرمی که چندین متر بالاتر از سازه های نگهدارنده قرار گرفته اند، بکنیم، قطرات آب با هوای پایین خود شروع به مبادله گرما کرده و دمای هوا را افزایش می دهند.

چگالی هوا با کاهش دما، کاهش می یابد. طبق اصل شناوری ارشمیدس، هر سیالی که چگالی پایین تری داشته باشد، به سمت بالا حرکت می کند.

بنابراین جریان هوا شروع به حرکت به سمت بالای برج کرده و هوا را از اطراف برج به درون آن می کشد. به دلیل اینکه این جریان تنها با مکانیسم انتقال حرارت همرفت طبیعی به وجود آمده و از هیچ وسیله مکانیکی برای آن استفاده نشده، به آن جریان طبیعی هوا گفته می شود.

در توضیحات قبل، سازه برج خنک کننده جریان طبیعی را یک استوانه فرض کردیم اما همان گونه که در شکل قبل مشاهده کردید، این سازه ها انحنای خاصی دارند.

شکل انحنای سازه به گونه ای انتخاب می شود که کمترین میزان بتن و فولاد را برای میزان جریان هوای مشخص نیاز داشته باشد. این شکل به صورت هایپربولیک بوده و به همین دلیل به برج خنک کن جریان طبیعی، برج خنک کن هایپربولیک نیز گفته می شود.

به بیان دیگر، بهینه ترین حالتی که برای شکل برج می توان یافت، همان نمودار هایپربولیک است.

مزایای برج خنک کننده جریان طبیعی

• صرفه جویی در انرژی به دلیل عدم استفاده از فن: برج خنک کننده جریان طبیعی با کمترین انرژی ممکن کار کرده و تنها انرژی مصرفی آن، توان پمپ ها است. این مورد باعث می شود تا بازده سیستمی که بخشی از این برج ها است، به میزان زیادی افزایش یابد.
• نیاز به نگهداری کم: تنها نیاز به بازرسی، نگهداری و تعمیر در این نوع از مبدل های حرارتی برای سیستم های مکانیکی است که این بخش نیز تنها یک سیستم پایپینگ با چندین عدد پمپ است. بنابراین برج خنک کن جریان طبیعی با وجود داشتن حجم بسیار بزرگ، نیاز به نگهداری بسیار کمی دارد.
• جریان هوای مطمئن: به دلیل ارتفاع زیاد برج های خنک کن، امکان بازگشت هوا از سمت بالا به پایین وجود نداشته و این برج ها تنها اجازه حرکت از سمت پایین به بالا را برای هوا می دهند.

همچنین بخوانید: برج خنک کننده خانگی چیست؟ انواع و کاربرد آن

معایب برج خنک کن جریان طبیعی

• نیاز به هزینه اولیه بالا: سازه این برج ها بسیار بزرگ و هزینه بر بوده و همچنین ساخت آن نیز سخت و زمان بر خواهد بود. علاوه بر این، زمان زیادی برای بازگشت هزینه این برج نیاز خواهد بود.
• اخذ مجوزهای احداث این برج ها در برخی مناطق، بسیار سخت است.

کاربردهای برج خنک کننده جریان

برج خنک کننده جریان طبیعی سازه ی بزرگی است و تنها در صورت فراهم بودن شرایط خاصی، کاربرد دارد. مهم ترین شرط استفاده از این برج برای توجیح اقتصادی آن، نیاز به انتقال حرارت در مقیاس بسیار بالا است.

بنابراین در صورتی که به انتقال حرارت با مقیاس متوسط و کوچک نیاز دارید، ساخت این برج می تواند نتیجه اقتصادی نامطلوبی داشته باشد.

نکته دیگری که در کاربردهای برج خنک کننده جریان طبیعی باید در نظر گرفت، فراهم بودن آب کافی است. همان گونه که قبلا به آن اشاره شد، 80 درصد خنک کاری آب در اثر تبخیر آن ایجاد می شود و بنابراین میزان بسیار زیادی از آب تبخیر می شود و به آب جبرانی نیاز خواهد بود.

در برخی از مناطق، کمبود آب وجود داشته و حتی قوانین محلی مبنی بر عدم استفاده از این برج ها وجود دارد. بنابراین قبل از به کارگیری این برج باید از وجود آب فراوان اطمینان حاصل شود.

کاربردهای برج خنک کننده جریان طبیعی شامل تاسیساتی است که به انرژی بسیار زیادی نیاز دارد. از میان این تاسیسات می توان به پالایشگاه ها، پتروشیمی ها و تاسیسات فراوری گاز طبیعی اشاره کرد. بعلاوه، این برج ها به نمادی در نیروگاه ها و به خصوص نیروگاه های هسته ای تبدیل شده اند.

انواع برج خنک کننده جریان طبیعی

برج های خنک کن جریان طبیعی به دو نوع جریان متقاطع (crossflow) و جریان مخالف (counterflow) تقسیم می شوند. در برج خنک کن جریان متقاطع، آب به سمت پایین حرکت می کند در حالی که هوا به صورت متقاطع جریان می یابد. جهت جریان ها را در شکل زیر مشاهده می کنید.

در برج خنک کن جریان مخالف، جهت حرکت آب و هوا کاملا در خلاف یکدیگر است؛ یعنی هوا به سمت بالا حرکت می کند. برج های خنک کن جریان طبیعی با جریان متقاطع در برابر یخ زدگی مقاومت بسیار بیشتری دارند.

دلیل این مسئله این است که در این نوع از برج ها، قطرات آب از تماس مستقیم با هوای محیط بیرون برج در امان هستند و بنابراین احتمال یخ زدگی کمتر خواهد بود.

در نوع جریان متقاطع، ارتفاعی که آب از آن توزیع می شود حداقل 7 متر بیشتر از ارتفاع اسپری آب در برج های جریان مخالف است. بنابراین انرژی لازم برای کارکرد برج های جریان متقاطع، بیشتر از نوع دیگر این برج ها خواهد بود.

تولید پکینگ های PVC فیلمی از حدود 40 سال پیش باعث شد تا عملکرد حرارتی برج های خنک کن جریان طبیعی از نوع جریان مخالف ارتقا یاید. این فناوری باعث شد تا برج هایی ساخته شوند که از نظر ابعاد، کوچک تر بوده و هزینه کمتری دارند.

سخن آخر

برج خنک کن جریان طبیعی یکی از مهم ترین مبدل های حرارتی است که در بسیاری از تاسیساتی که به ظرفیت بالایی از سرمایش نیاز دارند، مشاهده می شود.

این برج ها در واقع دارای تجهیزات مکانیکی کمی بوده و به انرژی کمی نیاز دارند و به همین دلیل استفاده از آن ها باعث افزایش بازده چرخه ها و کاهش انرژی موردنیاز خواهد شد.

در مقابل، برج های خنک کن سازه های بسیار عظیمی نیاز دارند که ارتفاع آن به چند ده متر نیز می رسد. به همین دلیل این مبدل حرارتی بیشتر از آن که یک تجهیز مکانیکی باشد، یک سازه عمرانی به حساب می آید.