برج خنک کننده چیست ؟
برج خنک‌کننده آب یا کولینگ‌تاور به‌عنوان یکی از تجهیزات اصلی جهت تأمین آب سرد موردنیاز در صنایع مختلف و همچنین به‌عنوان برج خنک‌کننده چیلرهای جذبی و چیلرهای آب‌خنک مورداستفاده قرار می‌گیرد. همان‌طور که می‌دانید قطعات کولینگ‌تاور شامل موارد مختلفی می‌شود که می‌توان از آن جمله به پکینگ، فن و الکتروموتور، قطره گیر، نازل و افشانک، آب‌پخش‌کن، پنل‌ها و لوورها، فن استک و... اشاره نمود.
در بسیاری از فرایندهای صنعتی از آب به‌عنوان یک سیال خنک کنند تجهیزات استفاده می‌گردد گاهی نیز از آب برای دستگاه‌های تهویه‌مطبوع استفاده می‌شود. درعین‌حال آب در گردش به‌مرور گرما را جذب کرده و به دمای بالای می‌رسد که یا باید تعویض گردد یا بایستی طی یک فرایند توسط تجهیزاتی خنک شود. در اینجا نقش کولینگ‌تاور (برج خنک‌کن) مشخص می‌شود. شما می‌توانید با استفاده از کولینگ‌تاور صنعتی آب در گردش را دائماً در دمای نرمال و موردنظر نگه دارید. در ادامه توضیحات بیشتری در مورد تعریف برج خنک‌کننده صنعتی، نحوه عملکرد، قطعات کولینگ‌تاور و انواع آن خواهیم داد.
تعریف برج خنک‌کننده و کاربرد آن
برج خنک‌کننده آب (Cooling Tower) نوعی مبدل حرارتی است که با ایجاد تماس مستقیم یا غیرمستقیم بین آب گرم و هوا، حرارت اضافی آب را جذب و به اتمسفر منتقل می‌کند. به‌عبارت‌دیگر، کولینگ واتر آب گرم خروجی از فرایندهای صنعتی را طی یک فرایند منظم دریافت نموده و پس از خنک‌کردن، آب را مجدداً به سیستم بازمی‌گرداند. این دستگاه مصارف مختلف صنعتی و خانگی دارد. کاربردهای اصلی برج خنک‌کننده صنعتی شامل خنک‌سازی آب در نیروگاه‌ها، پالایشگاه‌ها، کارخانه‌های پتروشیمی، سیستم‌های تهویه‌مطبوع، چیلرها و هر جایی است که نیاز به دفع حرارت اضافی وجود دارد. بدون وجود برج خنک‌کننده، بسیاری از فرایندهای صنعتی و سیستم‌های برودتی به دلیل افزایش دما و ایجاد فشار اضافی، دچار اختلال، کاهش راندمان یا خرابی می‌شوند.
نحوه عملکرد برج خنک‌کننده
عملکرد برج خنک‌کننده بر اساس دو اصل اساسی استوار است: تبخیر و انتقال حرارت. آب گرم به واسطه شبکه لوله‌کشی و پمپ‌ها وارد برج شده و توسط نازل‌ها یا سیستم توزیع آب (کلگی آب‌پخش‌کن)، به‌صورت قطرات ریز یا فیلم نازک بر روی سطوح انتقال حرارت (پکینگ کولینگ‌تاور) پاشیده می‌شود. هم‌زمان، هوا از پایین یا کنار برج توسط فن‌های محوری یا سانتریفیوژ به داخل کشیده شده و با آب داغ تماس پیدا می‌کند. در این چرخه برخورد آب‌وهوا، بخشی از آب تبخیر شده و حرارت خود را به هوا منتقل می‌کند. هوای گرم و مرطوب از دهانه یا تنوره برج خارج شده و آب‌خنک شده در تشتک پایین برج جمع‌آوری می‌شود. این آب‌خنک مجدداً توسط همان پمپ و لوله‌کشی‌ها به سیستم بازمی‌گردد. راندمان برج خنک‌کننده بستگی به عوامل مختلفی مانند دمای خشک و مرطوب هوا، سرعت جریان هوا و آب، و نوع پکینگ دارد.
جدول اجزا و قطعات برج خنک کننده
| نام قطعه |
توضیحات |
|
پنل یا بدنه (Casing)
|
پنل و دیواره برج خنک کننده اصلی ترین قسمت برج می باشد که دیگر اجزا در آن قرار دارند و از جنس فایبر گلاس، فلز یا بتن ساخته می شود.
|
|
پکینگ (Packing)
|
سطوح انتقال حرارت که آب را به صورت فیلم نازک یا قطرات ریز در می‌آورد و سطح تماس آب و هوا را افزایش می‌دهد. جنس آن معمولاً PVC یا PP است.
|
|
نازل (Nozzle)
|
وظیفه نازل ها توزیع یکنواخت آب گرم بر روی پکینگ ها می باشد.
|
|
فن (Fan)
|
وظیفه ایجاد جریان هوا برای انتقال حرارت مناسب در برج را به عهده دارد. فن‌ها می‌تواننداز نوع محوری یا سانتریفیوژ باشند.
|
|
قطره‌گیر (Drift Eliminator)
|
جلوگیری از خروج قطرات آب همراه با هوا بر عهده قطره گیر برج خنک کن می باشد.
|
|
تشتک (Basin)
|
جمع‌آوری آب خنک شده در پایین برج در قسمت حوضچه یا تشت آنجام می شود.
|
|
لوور (Louver)
|
کنترل ورود هوا و جلوگیری از خروج آب از برج
|
|
کویل (Coil)
|
در برج‌های مدار بسته، آب گرم درون کویل مسی جریان دارد و حرارت را به هوا منتقل می‌کند.
|
|
الکتروموتور و گیربکس
|
وظیفه موتور برق تأمین نیروی لازم برای چرخش فن است.
|
|
هیتر یا المنت
|
هیترهای کولینگ‌تاور از یخ‌زدگی حوضچه آب سرد در زمستان جلوگیری می نماید.
|
اصول و عوامل اصلی در محاسبات ظرفیت و طراحی برج خنک‌کننده
1-میزان دفع گرما از سیستم یا اصطلاحاً ظرفیت حرارتی کولینگ‌تاور
2-میزان نزدیکی دمای مرطوب محیط به دمای خروجی آب از برج خنک‌کننده (Approach)
3-اختلاف دمای آب داغ ورودی و آب سرد خروجی از برج خنک‌کننده (Range)
4-تحلیل آب در گردش برج خنک‌کننده که شامل زیر می‌شود
ü TDS (Total dissolved Solid) میزان سختی کل مواد جامد در آب
PH میزان اسیدی یا بازی بودن آب
میزان و نوع نمک‌های محلول در آب
فرمول محاسبه ظرفیت برج خنک کننده :
فرمول اصلی محاسبه ظرفیت برج‌های خنک‌کننده، بر اساس دبی آب، ظرفیت گرمایی سیال و اختلاف دما است. یک فرمول رایج برای محاسبه ظرفیت حرارتی برج خنک‌کننده (بر حسب کیلووات) عبارت است از: Q = m * c * ΔT
انواع برج خنک‌کننده
۱- انواع برج خنک‌کننده از نظر مدار
برج خنک‌کننده مدار باز (Open Circuit): در این نوع، آب گرم مستقیماً با هوا تماس پیدا کرده و بخشی بیشتری از آن تبخیر می‌شود. مزیت کولینگ تاور مدار باز راندمان بالایی آن است، اما مصرف آب بیشتری دارند و نیاز به تصفیه و واپایش رسوب و آلودگی از معایب آن است. از لحاظ قیمت دستگاه ارزانترین برج خنک‌کننده نوع مدار باز است.
برج خنک‌کننده مداربسته (Closed Circuit): در این مدل، آب گرم در یک سیکل بسته درون کویل‌های مسی یا گالوانیزه جریان دارد و هوا از روی لوله‌های کویل‌ها عبور می‌کند. در حقیقت انتقال حرارت بدون تماس مستقیم آب‌وهوا انجام می‌شود، بنابراین تبخیر آب نزدیک به صفر است و آلودگی نیز به حداقل خواهد رسید. این نوع کولینگ‌تاور برای مناطقی با محدودیت مصرف آب یا نیاز به حفظ کیفیت آب مناسب است. قیمت برج خنک‌کننده مداربسته به‌مراتب بالاتر از نوع باز است.
۲- انواع برج خنک‌کننده از نظر شکل ظاهری
برج خنک‌کننده مکعبی: این تیپ از کولینگ‌تاورها شکل مکعبی یا مستطیلی دارند که به‌صورت تک سول، دو سلول و سه سلول قابل‌تولید و مونتاژ هستند. برج خنک‌کن مکعبی جریان مخالف برای انواع پروژه‌های صنعتی بزرگ و متوسط قابل‌استفاده است. این نوع برج‌ها به دلیل طراحی مدولار، نصب و تعمیر آسان‌تری دارند و جانمای و مونتاژ آن‌ها باتوجه‌به شکل مکعبی آسان‌تر از نوع مخروطی است.
برج خنک‌کننده مخروطی (مدور): این مدل برج‌ها شکل استوانه‌ای یا مخروطی دارد و بیشتر در کارخانه‌های تولیدی، نیروگاه‌ها و پروژه‌های بزرگ صنعتی دیده می‌شود. این برج‌ها معمولاً از جنس بتنی یا فایبرگلاس ساخته می‌شوند و برای دبی‌های بالا مناسب هستند. جابه‌جای و مونتاژ برج‌های گرد کمی سخت از نوع مکعبی است.
۳- انواع برج خنک‌کننده از نظر متریال ساخت
فایبرگلاس: برج خنک کن فایبر گلاس یا کامپوزیتی (به انگلیسی: Fiber Reinforced plastic Cooling Tower) سبک، مقاوم در برابر خوردگی و مناسب برای اکثر شرایط آب‌وهوایی.
فلزی (گالوانیزه یا استیل): استحکام بالا، اما نیاز به محافظت در برابر خوردگی دارد.
بتنی: برج خنک کننده هذلولی (hyperbolic cooling tower)برای پروژه‌های بزرگ و دبی‌های بالا، مانند نیروگاه‌ها و پالایشگاه استفاده می‌شود.
سؤالات پرتکرار در مورد برج خنک‌کننده و کولینگ‌تاور
۱. تفاوت اصلی برج خنک‌کننده مدار باز و مداربسته چیست؟
در برج مدار باز، آب مستقیماً با هوا تماس دارد و بخشی از آن تبخیر می‌شود، اما در برج مداربسته هیبریدی، آب درون کویل جریان دارد و تماس مستقیم با هوا ندارد. برج مداربسته مصرف آب کمتری دارد و برای مناطقی با محدودیت آب یا نیاز به حفظ کیفیت آب مناسب است و نکته آخر قیمت برج خنک‌کننده مداربسته حدوداً ۳ برابر مدار باز است.
۲. چرا پکینگ مدیا در برج خنک‌کننده اهمیت دارد؟
در واقع کاهش دمای آب ارتباط مستقیم با سطح و زمان تماس آب‌وهوا دارد. پکینگ برج خنک کننده سطح و زمان تماس آب‌وهوا را افزایش داده و باعث بهبود انتقال حرارت می‌شود. انتخاب نوع و جنس و گام پکینگ مدیا تأثیر مستقیم بر راندمان برج دارد. پکینگ های لانه زنبوری یا فیلم پکینگ ها از راندمان بالای برخوردار هستند و در اکثر برج های جریان مخالف استفاده می شوند در کنار این مدل، پکینگ های نت اسپلش نیز برای دمای های بالا و آب های آلوده تر استفاده می شود.
۳. چه عواملی بر راندمان برج خنک‌کننده تأثیر می‌گذارند؟
دمای خشک و مرطوب هوا، سرعت جریان آب‌وهوا، نوع پکینگ مدیا، و کیفیت آب از جمله عوامل مؤثر هستند. همچنین، نگهداری منظم و تمیزکاری پکینگ و نازل‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است.
۴. چه زمانی باید از برج خنک‌کننده فایبرگلاس استفاده کرد؟
برج‌های فایبرگلاس به دلیل مقاومت در برابر خوردگی، وزن سبک و نصب آسان، برای اکثر پروژه‌های صنعتی و تهویه‌مطبوع مناسب هستند. این نوع برج‌ها در مناطقی با آب‌وهوای مرطوب یا خورنده، گزینه‌ای ایده‌آل محسوب می‌شوند.
خلاصه مطلب:
برج خنک‌کننده یا کولینگ‌تاور، تجهیزی اساسی در صنایع مختلف است که با استفاده از اصول فیزیکی تبخیر و انتقال حرارت، آب گرم را خنک کرده و به سیستم بازمی‌گرداند. انتخاب نوع مناسب برج، باتوجه‌به نیاز پروژه، شرایط آب‌وهوایی و محدودیت‌های مصرف آب، نقش مهمی در افزایش راندمان و کاهش هزینه‌های عملیاتی دارد. آشنایی با اجزای اصلی و نحوه عملکرد این دستگاه، به بهره‌برداری بهینه و افزایش طول عمر آن کمک می‌کند.
باتوجه‌به تنوع در طراحی، متریال و نوع مدار، برج‌های خنک‌کننده قادرند پاسخگوی نیازهای مختلف صنعتی و تهویه‌مطبوع باشند. انتخاب صحیح و نگهداری منظم، کلید عملکرد پایدار و اقتصادی این تجهیزات است. برند و قیمت برج خنک کننده نیز یکی از عوامل اصلی در انتخاب نهایی این دستگاه می باشد.