کولینگ تاور

علت استفاده از کولینگ تاور چیست؟

همان طور که عنوان شد در اکثر فرآیندهای تولیدی و صنعتی و همچنین تجهیزات تهویه مطبوع از آب برای خنک کردن دستگاههای مختلف استفاده می شود. در اینجا وجود دستگاهی مانند کولینگ تاور نقش خود را نمایان می سازد. علت استفاده از این دستگاه در خیلی از صنایع، کاربردی بودن کولینگ تاور، قیمت مناسب، استفاده راحت و آسان و هزینه های تامین نگهدای پایین می باشد.
از کولینگ تاور در صنایع مختلفی مانند نیروگاه‌ها، فرآوری‌های شیمیایی، کارخانه‌ ذوب فلزات، کارخانه لوله سازی و نورد  و بسیاری از کارگاههای تولیدی که در آنها خنک‌سازی فرآیند توسط آب ضروری است استفاده می شود. البته از کولینگ تاور می توان برای تامین آب خنک جهت سیستم های تهویه مطبوع برای برج های تجاری بزرگ، سالن های ورزشی، فرودگاه، مدارس، بیمارستان ها یا هتل ها استفاده نمود.

کولینگ تاور چگونه کار می کند؟

نحوه کار کولینگ تاور یا همان برج خنک کننده آب به این شکل می باشد که آب گرم شده از طریق شبکه لوله کشی و  توسط فشار  پمپ های موجود، به سمت ورودی های کولینگ تاور هدایت می شود. آب داغ ورودی به کولینگ تاور از طریق لوله آب پخش کن به سمت نازل های اسپری پاش هدایت می گردد و بصورت قطرات ریز بر روی سطوح پرکن ( پکینگ برج خنک کننده) پاشیده می شوند. قطرات آب پس از عبور از لایه های پکینگ و برخورد با هوای تازه گرمای خود را از طریق تبخیر قسمتی از آب از دست می دهد و سپس به درون حوضچه برج خنک کننده می ریزند. در واقع فرآیند تبادل حرارت و انتقال گرما توسط هوای ورودی به برج خنک کننده صورت می گیرد. جریان هوا در کولینگ واتر توسط یک فن مکانیکی از نوع محوری یا فن سانتریفیوژ ایجاد می شود که هوای تازه را در جهت مخالف ریزش آب به سمت بالا و دهانه خروجی برج خنک کننده به حرکت در می آورد. هر چه زمان و میزان برخورد آب و هوا طولانی تر باشد مقدار تبخیر افزایش یافته و به همان نسبت دمای آب خروجی از کولینگ تاور کاهش پیدا می کند. البته نکته قابل توجه در میزان کاهش دمای آب ورودی به کولینگ واتر این است که باید بدانید، آب گرم در بهترین حالت نهایتا تا 3 درجه بالای دمای حباب مرطوب (Wet-bulb temperature) می تواند خنک شود.

انواع کولینگ تاور

برج خنک کن آب یا همان کولینگ واترها که وجودشان در اغلب فرآیندهای صنعتی امری حیاتی به شمار می آید. و نقش اصلی  در خنک کردن آب به عهده دارند، بر اساس معیار های مختلفی قابل دسته بندی هستند. آنها بر اساس نوع کشش و شکل جریان هوا به دو دسته  جریان طبیعی و مکانیکی و به لحاظ جهت جریان هوا به دو صورت جریان مخالف و جریان متقاطع طبقه بندی می شوند. در ادامه هر کدام از این انواع  برج خنک کن را به اختصار توضیح می دهیم.

دررابطه با سطوح پرکن در برج خنک کننده بیشتر بخوانید >>> پکینگ برج خنک کننده<<<

برج خنک کننده جریان طبیعی 

این نوع از کولینگ تاورها معمولا برای نیروگاه ها و صنایع بزرگ با جریان آب خنک کننده بی نهایت استفاده می شود. کولینگ تاور جریان پیش نویس با حذف گرمای اتلاف از طریق بالا آمدن هوای گرم که سپس در جو آزاد می شود، کار می کند. این دسته از کولینگ تاورها ارتفاعی بلند دارند و بخاطر ایجاد جریان هوای مناسب به شکلی هزلولی ساخته می شوند. به این نوع از برج های خنک کننده به علت نوع وزش باد کولینگ تاور اتمسفریک (atmospheric cooling tower) نیز اطلاق می شود. در برج های جریان طبیعی یا اتمسفریک آب گرم توسط پمپهای قوی به قسمت بالای برج هدایت می شوند و سپس از طریق افشانک های مخصوص به داخل کولینگ تاور پاشیده می شوند. به علت  ارتفاع بلند برج و مسیر طولانی که آب تا رسیدن به تشتک برج طی می نمایید. قسمتی از گرمای آب به هوای موجود در جو منتقل شده و موجب سرد شدن اب می گردد.

برج خنک کننده جریان مکانیکی

در این نوع از کولینگ تاورها، هوا توسط یک فن محوری یا گریز از مرکز به گردش در می آید. هوا از قسمت دریچه های ورودی به داخل برج دمیده شده و پس از برخورد با آب و تبادل حرارت از قسمت دهانه خروجی کولینگ تاور به جو منتقل می شود. در این نوع از برج های خنک کننده که جریان هوا به صورت مکانیکی توسط یک یا چند فن به گردش در می آید، مصرف انرژی بیشتری صرف خنک سازی آب می شود. البته راندمان کولینگ تاور نیز به همان نسبت افزایش می یابد. به علت وجود همین فن های مکنده و دمنده، این دسته را بنام برج خنک کننده جریان اجباری (mechanical forced draft) نیز نام می برند.

سیستم برج خنک کننده متقاطع یا کراس فلو

کولینگ تاورهای جریان متقاطع (Cross Flow) از نمونه های اولیه یک شرکت ژاپنی می باشد که در بازار بنام برج خنک کننده ابار مشهور می باشند. در واقع ورودی هوا به کولینگ تاور کراس فلو از سرتاسر دیوارهای جانبی صورت می گیرد و در زاویه 90 درجه با آب پاششی که از بالا به سمت پایین می آید برخورد می نماید. در واقع جریان آب و هوا در بخورد با هم یکدیگر را قطع می نمایند. کولینگ تارو جریان متقاطع بیشتر در مناطق مرطوب و شرجی مانند شمال و جنوب ایران کاربرد دارد.

سیستم های برج خنک کننده ضد جریان یا کانترفلو

در این طرح از کولینگ تاور جهت وزش باد بطور کامل در خلاف جریان آب می باشد به همین علت آنها را بنام کولینگ تاور جریان مخالف (counter flow)  معرفی می کنند. جریان مخالف در این طرح از برج ها یعنی آب از نازلهای بالای کولینگ تاور به سمت پایین سرازیر می شود و هوای ورودی توسط فن القای از قسمت پایین برج خنک کن ( لوور ها دریچه ورودی هوا ) به سمت بالای برج مکیده می شود. نحوه پاشش آب و میزان جریان هوا و زمان تبادل حرارت در برج خنک کننده کانتر فلو یا جریان مخالف نقش مهمی در راندمان آن دارد. اگر هرکدام از این موارد به درستی انجام نشود، کاهش دمای آب ورودی به برج خنک کننده به حداقل میرسد. 
این نوع از کولینگ تاور ها راندمان بالای دارند و به دو صورت گرد و مکعبی قابل تولید می باشند. این دستگاهها در بیشتر نقاط کشور عزیزمان ایران قابل استفاده هستند و اغلب برای مناطق گرم و خشک  و شهرهای مانند ( تهران، مشهد، اصفهان، یزد، قزوین، اردبیل و...) مورد استفاده قرار می گیرند.

دسته بندی کولینگ تاور بر اساس نحوه انتقال حرارت :

برای انتقال حرارت آب به هوا از سه روش اصلی در کولینگ تاور استفاده می شود 
1-کولینگ تاور مدار باز یا مرطوب
2-کولینگ تاور مدار بسته یا خشک
3-کولینگ تاور هیبریدی یا ترکیبی
هریک از این مدلهای نام برده شده با توجه به کاربری که دارد و شرایط اقلیمی که برج خنک کننده قرار است درآنجا کار نماید قابل استفاده می باشد. یکی از نکات اصلی در انتخاب یکی از انواع کولینگ تاور میزان منابع آبی موجود و کیفیت آب مورد استفاده تجهیزات صنعتی می باشد. در ادامه به برسی بیشتر خصوصیات انواع کولینگ تاور خواهیم پرداخت.

کولینگ تاور مدارباز (مرطوب)

کولینگ تاور مدارباز (open floor cooling tower) راندمان نسبتا بالاتری از دیگر انواع برج خنک کننده دارد زیرا آب گرم ورودی به کولینگ تاور بطور مستقیم و بدون واسطه با هوای تازه در تماس می باشد.  به همین علت امکان کاهش دمای آب داغ تا محدوده حباب تر راحت تر صورت می گیرد. علت استفاده از این نوع کولینگ تاور ها در صنایع مادر نیز همین قابلیت بالا در امر خنک سازی حجم زیادی از آب در زمان کم می باشد.
روش کاری کولینگ تاور مدار باز به این صورت می باشد که آب داغ برگشتی از فرایند توسط پمپ ها و شبکه پایپینگ به قسمت لوله های ورودی و نازل های توزیع آب برج خنک کن هدایت می شوند، آب داغ بصورت قطرات ریز بر روی تمام سطوح داخلی کولینگ تاور ( پکینگ برج خنک کننده ) پاشیده می شود، قطرات آب پس از برخورد به لایه های پکینگ سطح وسیعی را در بر می گیرند و فرصت پیدا می کنند تا زمان بیشتری را برای تبادل حرارت با هوای ورودی به کولینگ تاور اختصاص دهند. در همین حین فن ( محوری یا سانتریفیوژ)، جریان هوای مورد نیاز برای انتقال حرارت به درون برج خنک کننده هدایت می کند تا پس از جذب گرما ی آب از دهانه خروجی کولینگ واتر خارج شود.
در نهایت آب سرد شده که در اثر مکانیزم تبخیر، خنک شده است به قسمت زیرین کولینگ تاور یعنی تشتک برج ریخته می شود و از طریق فلنچ های خروجی جهت خنک کردن تجهیزات به فرایند بر می گردد. این مکانیزم دائما برای خنک کردن آب در کولینگ تاور مدار باز تکرار می شود.

مزایای کولینگ مدارباز

اگر بخواهیم به چند مورد از مزایای کولینگ تاور باز اشاره کنیم می توانیم به موارد زیر اشاره نماییم
تنوع در کاربری : برج خنک کننده مدار باز هم برای کاربری های نیمه صنعتی وکوچک و هم صنایع بزرگ مانند نیروگاهها قابل استفاده می باشد.
بازدهی بالا: یکی از ویژگی ها مهم کولینگ تاور مدار باز راندمان بالای این دستگاه می باشد. علت این امر نیز تماس مستقیم آب و هوا و کاهش دمای حداکثری سیال گرم در اثر تبخیرمی باشد.
سایز بندی مختلف: کویلنگ تاور های باز قابلیت تولید در سایز های مختلف را دارند و می توان این نوع سیستم ها را درابعادکوچک 100*100سانتیمتر بصورت مکعبی تک سلولی و ابعاد بزرگتر بصورت چند سلولی در ابعاد  بزرکتر تا 400*1000 سانتی متر تولید نمود.
قابلیت مونتاژ و دمونتاژ : کولینگ تاورهای مدار باز را می توانیم با توجه به محدودیت های حمل ونقل و جابجای بصورت مونتاژ در کارخانه یا مونتاژ در محل پروژه ارائه دهیم.
ظرفیت و تناژ مختلف کولینگ تاور : سیستم های مدار باز را با توجه به میزان دبی آب مصرفی و دمای ورودی و خروجی محاسبه می کنیم بر همین اساس امان طراحی برج خنک کننده در تناژ 10 تن تا 1200تن تبرید بصورت یکپارچه امکان دارد. البته برای ظرفیتهای بالاتر می توان از چند برج خنک کننده بصورت سری استفاده نمود.
قیمت کولینک تاور باز : این نوع از برج های خنک کننده نسبت به کولینگ تاور های مدار بسته که از کویل مسی در ساختار آن استفاده شده ارزان تر هستند و به همان نسبت هزینه راه اندازی و نگهداری پایین تری نیز دارند.
فقط باید به این نکته توجه نمایید که کولینگ تاور مدار باز به علت تبخیر بخشی از آب، برای ادامه کار نیاز به حجم بیشتری آب جبرانی دارد و همین مسئله مصرف آب را افزایش می دهد.

معایب کولینگ تاور مدارباز

شاید دو عیب اصلی به این نوع از دستگاه ها وارد باشد که مورد اول آن به علت تبخیر آب و باز بودن مدار است که موجب رسوب زیادی در سیستم می شود و همین امر باعث کاهش راندمان، کاهش عمر قطعات و بدنه اصلی کولینگ تاور می گردد.
مورد دوم مصرف آب زیاد این سیستم می باشد که با توجه به خشکسالی های اخیر استفاده از برج های خنک کننده مدار باز کمتر شده است.

کولینگ تاور مداربسته

در این نوع از کولینگ تاور ها جذب گرمای آب بصورت تماس غیر مستقیم هوا و آب درون کویل صورت می گیرد. کولینگ تاور مدار بسته به علت نحوه تبادل حرارت به نام برج خنک کننده خشک نیز شناخته می شود.
همانطور که می دانید ساختار اصلی کولینگ تاور مدار باز و مدار بسته بسیار شبیه هم می باشد و تنها تفاوت این دو نوع برج خنک کننده در نحوه جریان آب و انتقال دما می باشد، در کولینگ واتر خشک آب کاملا در یک سیکل بسته و درون کویل ها از جنس لوله های مسی یا گالوانیزه جریان دارد و از طریق وزش باد تبادل حرارت صورت می گیرد ولی در سیستم مدار باز همانطور که در بالا عنوان شد آب توسط نازل ها بر روی پکینگ برج خنک کننده پاشیده می شود و تبادل حرارت در یک فضای باز انجام می شود. 
راندمان کولینگ تاور مدار بسته به مراتب کمتر از کولینگ واتر مدار باز می باشد و علت آن سطح تماس بیشتر و بدون واسطه آب و هوا می باشد. البته با توجه به نوع کاربری و شرایط اقلیمی هر کدام از این سیستم ها کاربرد خود را دارند.
مکانیزم کاری کولینگ تاور مدار بسته به این صورت می باشد که آب ورودی از طریق فلنچ های متصل به کلکتور، وارد مبدل حرارتی یا کویل می شود و با سرعت مشخص به سمت خروجی کویل حرکت می نمایید، معمولا لوله های کویل بصورت فین دار ساخته می شوند تا بتوانند میزان و سطح تبادل حرارت را تا جای که امکان دارد افزایش دهند. جنس فین های کویل از آلومینیم می باشد که قادرند حداکثر تبادل حرارت را بین آب و هوا انجام دهند. درهمین حین گردش هوا توسط فن برج خنک کننده لا به لای لوله های کویل به جریان می افتد تا از طریق سطح تماس گسترده آب داغ عبور ی درون کویل خنک شود.

مزایای کولینگ تاور مداربسته

سیستم برج خنک کننده مدار بسته با توجه به ویژگی های که در بالا عنوان کردیم از مزایای به خصوصی بر خوردار است.از همین رو در مناطق کم آب و کویری بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. چند مزیت اصلی این نوع کولینگ تاور ها به شرح زیر می باشد 
کاهش مصرف آب ( به علت استفاده از سیکل بسته)
کاهش رسوب و جلبک در قسمتهای مختلف کولینگ تاور 
عدم نیاز به آب جبرانی وکاهش مصرف برق
پایداری خصوصیات کیفی سیال در جریان درون کویل های برج خنک کن
قابل استفاده در مناطق گرمسیر و کم آب

درمورد معایب کولینگ تاور خشک می توان به کاهش دمای سیال تا محدود حباب خشک محیط اشاره نمود که این امر باعث می شود این سیستم در مقایسه با برج های مدارباز از راندمان کمتری برای خنک کردن آب در دماهای پایین برخوردار باشند.

کولینگ تاور آدیاباتیک:

خنک کننده های سیال آدیاباتیک ترکیبی از خنک کننده های سیال خشک سنتی (مانند رادیاتور با بسته های فن) و کولینگ واتر مرطوب هستند. خنک کننده های سیال از هوای اجباری از طریق کویل های مبدل حرارتی برای خنک کردن مایع برای حفظ یک سیستم مدار بسته استفاده می کنند. این تضمین می کند که سیال فرآیند از هر گونه هوای آلوده ای که ممکن است به سیستم وارد شود تمیز بماند. افزون بر این در برج خنک کننده آدیاباتیک از تشکیل رسوب و رشد بیولوژیکی نیز جلوگیری می کند.
کولینگ تاورهای آدیاباتیک از عمل تبخیر استفاده می‌کنند. در برج خنک کننده آدیاباتیک هوا تازه قبل از ورود به دستگاه ابتدا از طریق پوشال های مخصوص و مرطوب خنک می شود و سپس بروی کویل حرارتی وزیده می شود تا حداکثر راندمان را به همراه داشته باشد. عملکرد سازه به دمای هوای محیط بستگی دارد، اما به دلیل استفاده از سیستم عایق، کولر سیال توانایی دستیابی به دمای سیال خروجی کمتر از محیط را دارد. 
کولینگ تاورهای سیال آدیاباتیک راه حل هایی سبز و کارآمد هستند. این سیستم عایق آب مصرفی فقط در گرم ترین زمان های سال استفاده می شود. این امر مصرف آب سیستم را تا حد زیادی کاهش می دهد. در زمان‌های خنک‌تر سال، کولر سیال به ‌عنوان یک واحد خشک کار می‌کند و تنها از هوای اطراف برای خنک‌سازی آب موجود در کویل برج خنک کننده استفاده می‌کند. با کاهش دما، انرژی کمتری برای راه اندازی فن برج خنک کننده مورد نیاز است.

کولینگ تاور جریان متقاطع (Cross Cooling Tower) در مقایسه با کولینگ تاور ضدجریان (Counterflow Cooling Tower):

دو نوع اصلی از کولینگ های پیش نویس القایی وجود دارد. در کولینگ تاور کانتر فلو «ضد جریان» جریان هوا و آب معکوس می شود. در برج خنک کننده کراس فلو «جریان متقاطع»، هوا و آب در زاویه عمودی با یکدیگر جریان دارند. کولینگ تاور جریان مخالف نسبت به کولینگ واترجریان متقاطع یا همان برج ابارا معایب و زمان عملکرد کمتری دارد؛ با این حال، به دلیل سیستم اسپری تحت فشار، افت فشار آب بیشتری دارند، در حالی که بیشتر برجهای خنک کننده جریان متقاطع از تشت‌های توزیع آب با تغذیه گرانشی استفاده می‌کنند. در حال حاضر در بیشتر نقاطع ایران از برج های خنک کننده جراین مخالف استفاده می شود و بنا بر تجریه این کولینگ واتر ها کارآمد نیز بوده اند.

کاربرد پکینگ در کولینگ تاور:
این سازه ها اساسا جعبه های بزرگی هستند که برای به حداکثر رساندن تبخیر آب طراحی شده اند. برای انجام این کار، سطوحی با متریال پی وی سی PVC و یا پلی پرو پیلن pp بصورت فیلم یا اسپلش طراحی شده است. پکینگ مدیا برج خنک کننده از طریق طولانی کردن زمان تماس و بالا بردن سطح تماس آب و هوا موجب افزایش راندمان کاری دستگاه خنک کننده می شود. درضمن آب پاشیده شده بر روی فیلینگ های برج خنک کننده پس از برخورد، به قطرات ریزتری تبدیل می شوند که این مسله نیز در بهبود عملکرد کولینگ واتر موثر است. پکینگ کولینگ تاور در ابعاد مختلفی بصورت بلوکی و هات رو تولید می شود.