کار برج خنک کننده چیست؟

چگونگی عملکرد برج خنک کننده بر اساس تبخیر بوده که وابسته به نوع کولینگ تاور، نحوه کارکرد آن تفاوت دارد و با طرز متفاوتی آب را خنک می‌کند. طرز کار برج های خنک کننده از طریق ارتباط بین آب و هوا صورت می‌پذیرد و نحوه تماس این دو سیال وجه تمایز نحوه کارکرد برجهای خنک کن است.

در بررسی اساس عملکرد برج خنک کن باید بسته یا باز بودن مدار سیستم خنک کاری آب دقت ویژه نمود. به بیانی ساده تر کولینگ تاور با تماس مستقیم تحت یک سامانه باز یا غیر مستقیم تحت سامانه ای بسته، کار خود را صورت می‌دهد. در برج خنک کننده فارغ از مدل به هر میزان جریان هوادهی بیشتری در تماس با آب داغ قرار گیرد، انتقال حرارت هم  انجام می‌شود.

کار و وظیفه یک برج خنک کننده

کار و وظیفه یک برج خنک کننده هدایت گرمای آب داغ به هوای خشک محیط اطراف توسط درصد کمی تبخیر است. این انتقال گرما در برج خنک کن با هدف کاهش دمای آب خروجی صورت می گیرد. دمای آب خارج شده از یک کولینگ تاور همواره کمی بالاتر از دمای مرطوب آن منطقه یعنی حباب تر می باشد. مثلاً برای شهری مثل تبریز که دمای مرطوبش حدود 17 درجه است، یک برج خنک کن می تواند آب را در تابستان تا 20 درجه سانتیگراد هم خنک نماید. در تصویر طرز کار برج های خنک کننده جریان متقاطع را به عنوان نمونه مشاهده می‌کنید.

کارکرد درست برج خنک کننده در کاربری خود زمانی مشخص خواهد شد که دمای خروجی نزدیک ترین میزان خود به دمای وت بالب را پیدا نماید. در واقع کار اصلی یک کولینگ تاور سرد کردن آب جهت دفع گرمای مازاد تجهیزات به محیط بیرون است. برج خنک کن بر اساس قوانین ترمودینامیک کارکردی بسیار شبیه به یک کولر تبخیری دارد. در کولر هوا از طریق تماس با آب پاشش بر روی پوشالها رطوبتش افزایش یافته و خنک تر می شود و حال این عملکرد در برج های خنک کن معکوس است.

چگونه از عملکرد درست برج خنک کننده مطمئن شویم؟

پاسخ به این سوال کلیدی کمک بسیاری به چک کردن محاسبات صورت پذیرفته برای ظرفیت برودتی کولینگ تاور خواهد کرد. به بیانی ساده تر اگر بخواهیم بفهمیم که برج خنک کننده ای که کار خود را انجام می دهد تا چه میزان کارکرد مطلوب دارد باید شاخص هایی را تعریف نمود. اصلی ترین شاخصه های بررسی نحوه کار برج خنک کن عبارتند از:

• نزدیکی 3 تا 5 درجه ای دمای خروجی آب سرد به دمای وت بالب منطقه نصب دستگاه
• افت دمای 5 الی 10 درجه ای آب در منیفولد ورودی و خروجی برجهای خنک کن
• شدت صوت خروجی ماکزیمم 80 دسیبل در فاصله 1 متری از تجهیز

هر یک از پارامترهای فوق اگر در خروجی کار برج خنک کننده اتفاق نیافتد به معنی بروز مشکل در کارکرد یکی از بخشهای داخلی یا کمبود ظرفیت طراحی شده است. به طور مثال اگر لرزش و صدای تولید کولینگ تاور بیش از حد استاندارد باشد عوامل مختلفی دخیل بر کار بوده و همگی حاکی از عدم کیفیت تولید برج خنک کن است. در مجموع ملاک های بسیاری جهت محک زدن چگونگی کارکرد یک برج وجود دارد که بکارگیری آنها در نتیجه گیری خالی از لطف نیست.

اگر قصد خرید انواع برج های خنک کننده را دارید، می توانید با شرکت دلتا کولینگ تماس بگیرید. کارشناسان ما آماده پاسخگویی به سوالات شما عزیزان می باشند.

چگونگی کارکرد انواع برج های خنک کننده

1-مقایسه کارکرد انواع برج خنک کن بر اساس نوع جریان هوادهی

در این قیاس برجهای خنک کن به سه دسته اتمسفریک، جریان اجباری محوری و جریان القایی حلزونی تقسیم می شوند. برج های خنک کننده امروزه نسبت به نحوه چگونگی انجام کار خنک کاری آب توسط هوا به دسته بندی هوای اجباری و هوای طبیعی تقسیم می شوند. در واقع اگر یک کولینگ تاور با جریان طبیعی هوای اتمسفر محیط آب را سرد کند به آن اتمسفریک می گویند. در صورت استفاده از فن یا پروانه در جریان انتقال سیال هوا به برج خنک کننده، جریان اجباری یا القایی اطلاق می شود. در تصویر زیر نحوه چگونگی عملکرد و طرز کار انواع کولینگ تاورهای مذکور نمایش داده شده است.

2-مقایسه کارکرد برج های خنک کننده بر اساس نوع زاویه جریان هوا

در این تمایز کولینگ تاورها با توجه به نوع نحوه برخورد هوا با آب به دو دسته کانترفلو و کراس فلو تقسیم میگردند. برجهای خنک کن کانترفلو که به آنها جریان مخالف نیز گفته می شود امروزه بیشترین کاربرد را در میان انواع این منبع برودتی پیدا کرده است. در این مدل هوای خشک و خنک از چهار طرف دستگاه از قسمت زیرین وارد شده و از پایین به سمت بالا (خلاف جهت ریزش آب) گذر می کند.

در برج های خنک کننده کراس فلو یا جریان متقاطع هم هوا تحت زاویه عمود بر آب ریزشی جریان می یابد. نتیجه هر دو عمل تماس آب داغ ریزشی با جریان هوای مکشی است ولی تفاوت در روش این کار موجب بروز یک سری مزایا و معایب در هر مدل گردیده است. در تصویر زیر علاوه بر دیدن نحوه کار برج خنک کننده می‌توانید مقایسه ای از عملکرد هر دو تیپ را مشاهده کنید.

3-مقایسه کارکرد انواع برج خنک کننده بر اساس نوع مدار گردشی آب

چنانچه قصد کنیم به طور خلاصه کولینگ تاورها را بر اساس طرز خنک کردن آب دسته بندی کنیم دو ساید مدار باز و مدار بسته را سریعاً می توان انتخاب کرد. برج های خنک کننده مدار بسته با تماس غیر مستقیم بین آب گرم با هوای خشک و سرد موجب کاهش دمای آب درون کویل می گردد.

برج خنک کننده چگونه آب را خنک می کند؟

بسیاری از ماشین آلات سرد کننده امروزه بر پایه علوم ترمودینامیک و انتقال حرارت عمل می نمایند. کولینگ تاور هم یکی از ماشینهای خنک کننده بوده که با بهره گیری از عمل تبخیر و ترکیب انتقال حرارت و انتقال جرم کار خود را به ثمر می رساند. حال وابسته به شرایط محیط اقلیم نصب می تواند دارای بدنه ای بتنی، فلزی و یا فایبرگلاس (فایبرگلس) باشد. در برخی موارد مشاهده می شود که به منظور کاهش میزان مصرف آب از نوع مداربسته این تجهیز بهره برده می شود.

 در واقع به بیان ساده فارغ از نوع برج خنک کننده و یا جنست بدنه، وظیفه اصلی کولینگ تاور خنک کردن آب با تماس دائمی با هوای آزاد و ایجاد درصد کمی تبخیر می باشد. البته باید دقت نمود که در مناطق مختلف کارایی برجهای خنک کننده نیز متفاوت خواهد بود. مثلاً در شهری مثل اصفهان که آب و هوای نسبتاً معتدل دارد کار کولینگ تاور آسوده تر خواهد بود تا شهری مثل بوشهر. بوشهر شهری است با اقلیم مرطوب و از این رو یک برج خنک کننده نمی تواند کار خود را به خوبی انجام بدهد.

دمای خروجی آب در برج خنک کننده به چه میزان است؟

آب سرد خارج شده از یک کولینگ تاور همواره دمایی بالاتر از دمای هوای شرجی در آن محیط را داراست. دمای هوای شرجی یا اصطلاحاً “دمای حباب تر” یک فاکتور تعیین کننده در پارامتر دمای آب سرد محسوب می شود. برای شهرهای مختلف دمای حباب تر یا وت بالب (wet bulb temperature) از 15 الی 35 درجه متفاوت است. برای محیطهای شرجی با رطوبت بالای 70 درصد میزان دمای وت بالب بالاتر بوده و کولینگ تاور محدودیت زیادی در خنک کردن آب در تابستان خواهد داشت.

البته میزان دمای حباب تر اعلام شده صرفاً در فصل تابستان و در بدترین شرایط اقلیمی مورد بررسی قرار خواهد گرفت. نکته دیگری که باید عرض کنیم این است که یک برج خنک کننده قادر نخواهد بود که آب را دقیقاً تا دمای مرطوب محیط کاهش دهد. آب سرد خنک شده در این تجهیز همواره 3 الی 5 درجه بالاتر از دمای محیط بوده و افت دمای ایجاد شده در انواع کولینگ تاور با قانون بیان شده سنجیده می شود.

میزان ظرفیت برجهای خنک کننده چگونه محاسبه می شوند؟

توان حرارتی در جذب گرمای ماشین آلات صنعتی در بخش کندانسور توسط کولینگ تاور را ظرفیت برودتی نامگذاری می کنند. ظرفیت یک قالباً بر اساس تن تبرید (refrigeration ton) یا در اصطلاح RT بیان می کنند. مقدار ظرفیت برج خنک کننده گاهاً با واحدهایی همچون BTU/H و KW نیز عنوان می گردد. فارغ از واحد محاسباتی در بیان ظرفیت برودتی و مهمتر از آن نحوه محاسبه ظرفیت برج خنک کننده است که از اهمیت بالایی برخوردار است. برای محاسبه ظرفیت برودتی برج خنک کن از پارامترهایی همچون دبی آب در گردش، دمای ورودی و خروجی و حتی دمای وت بالب بهره جسته می شود.

به منظور محاسبه ظرفیت باید میزان گرمایی را که از آب باید توسط زمان معین به هوای بیرون انتقال پیدا کند را تشخیص دهیم. بهره جویی از یک شرکت مشاوره مهندسی در تعیین دقیق میزان ظرفیت کولینگ تاور بهترین گزینه پیشنهادی در دسترس می باشد. بسیاری از شرکتهای سازنده برج خنک کننده امروزه با بکارگیری کادر مهندسی در تشخیص مقدار این پارامتر مهم در اختیار کارفرمایان عزیز قرار گرفته اند. ظرفیت برجهای خنک کننده تولیدی در دسترس امروزه از بازه 20 تن تبرید تا 15 هزار تن تبرید متفاوت خواهد بود که وابسته میزان حجم آب گردشی و اختلاف دمای آب طراحی خواهد شد.

آشنایی با انواع برج خنک کننده به لحاظ نوع عملکرد

1–برج خنک کننده مدار باز: یکی از مرسوم ترین انواع پر کاربرد کولینگ تاور نوع مدارباز یا مرطوب( برج تر) قلمداد شده که در دو شکل مکعبی و مخروطی تعبیه می شود. این مدل با عملکردی یکنواخت در فصول مختلف تابستان و زمستان توسط ارتباط مستقیم آب داغ با هوای خشک سبب خنکتر شدن آب می گردد. آب توسط نازلهای اسپری کننده بر روی پوشالهای خنک کننده(پکینگها) پاشش شده و هوا نیز با گذر از میان پکینگها گرمای آب را جذب و به بیرون انتقال می دهد.

2–برج خنک کننده مداربسته: نوع دیگری از انواع برجهای خنک کننده نوع مداربسته (close cooling tower) به شمار می آید که وابسته به نوع کارایی به دو دسته خشک و هیبریدی تقسیم بندی می شود. برجهای خشک با تماس کاملاً غیر مستقیم هوا با جریان آب داغ در کویلهای فیندار موجب کاهش دمای این سیال می شوند. برجهای خنک کننده هیبریدی نیز با عملکردی مشابه و البته با پاشش یک سیکل ثانویه آب به خنک کاری این سیال گرم می پردازند و عملاً با عملکردی دوگانه وظیفه خود را انجام می دهند.

در چه جایی از برج خنک کننده مداربسته یا مدارباز استفاده می شود؟

مسلماً پاسخ به سوال فوق کمک بسزایی به انتخاب صحیح یک کولینگ تاور در یک واحد صنعتی خواهد کرد. طبیعتاً برج خنک کننده به منظور کارکرد خود همواره درصدی از آب (3 تا 5 درصد) تبخیر می نماید. در بسیاری از مناطق کشور تامین این میزان آب مخصوصاً در ظرفیتهای بالای 100 تن تبرید دشوار و نشدنی است. بسیاری از کارخانجات صنعتی به منظور رفع این معذل از سیکل بسته در خنک کاری آب مورد نیاز دستگاه های خود استفاده می کنند. پس اولین جایی که از برج خنک کننده مداربسته باید استفاده کرد زمانی است که تامین آب جبرانی(make up) برای مصرف کولینگ تاور فراهم نباشد.

یکی دیگر از شرایطی که در کارایی برج خنک کننده حتماً با آن مواجه خواهید شد بحث رسوب گرفتگی این تجهیز در نوع مدار باز است. آب در گردش در یک منبع برودتی همچون بدلیل تبخیر دائمی همواره با افزایش میزان املاح مواجه خواهد بود. افزایش میزان TDS آب سبب ایجاد گرفتگی در کندانسورها، مسیر لوله ها و حتی خود برج خواهد شد.

بحث رسوب زدایی از کندانسور تجهیزات صنعتی و همچنین تعمیرات ناشی از آن که گاهاً موجب از کار افتادگی کل سیستم خواهد شد امری بس مهم است. بسیاری از واحدهای صنعتی به منظور جلوگیری از موضوع رسوب گرفتگی به اجبار با صرف هزینه بیشتر در خرید به سمت و سوی برج خنک کننده مداربسته هدایت می شوند. خب در پایان اگر واقعاً میزان تامین آب جبرانی یا رسوب گرفتگی برایمان اهمیت نداشته باشد بدون شک توصیه می شود که از نوع مدارباز استفاده کنیم.

مشکلات رایج و اساسی در برج های خنک کننده

1-رسوب گرفتگی پکینگها، نازلهای دوش، لوله های توزیع آب و بخش های مختلف داخلی کولینگ تاور در تماس با آب

2-یخ زدگی تشتک ذخیره آب سرد در زمستان بدلیل کاهش دمای محسوس محیط

3-دشواری تامین آب جبرانی در مناطق خشک و بیابانی که امروزه در کشور ایران بسیار زیاد می باشد.

4-خرابی قطعات هوادهی بدلیل تماس دائم با رطوبت و پاشش قطرات آب

امروزه چه راهکارهایی برای رفع مشکلات در برجهای خنک کننده پیشنهاد می شود؟

خب به اصل مطلب رسیدیم و باید عرض کنیم که با پیشرفت دانش مهندسی امروزه بیشتر نواقص بیان شده برطرف گردیده است. علوم مهندسی مکانیک ، شیمی و متالوژی بیشتر مشکلات بیان شده را رفع نموده و برای هر یک راهکارهایی را ارائه کرده است. به عنوان مثال برای جلوگیری از یخ زدگی آب در تشتک یا بیسین ذخیره آب از سیستم آنتی فریز هوشمند شامل هیتر و ترموستات استفاده میشود.

به منظور جلوگیری از رسوب و گرفتگی قطعات داخلی هم بسیاری از شرکتهای معتبر مهندسی با طراحی افشانک های آنتی کلاگ، بکارگیری پکینگهای پلی پروپلین (پلاستیکی) و حتی طراحی مداربسته برج خنک کننده این موارد را برطرف کرده اند. خرابی قطعات بخش هوادهی هم با استفاده از رطوبت گیرها و کاهش میزان رطوب اطراف این قطعات تا حد زیادی رفع شده است.

انواع برج خنک کننده (کولینگ تاور)

در مجموع، برج های خنک کننده را می توان در دو دسته مجزا بررسی نمود:

• برج خنک کننده (کولینگ تاور) مدار باز
• برج خنک کننده (کولینگ تاور) مدار بسته

کولینگ تاور (برج خنک کننده) مدار باز

در کولینگ تاور مدار باز، جریان آبی که بایستی خنک شود در تماس مستقیم با هوا قرار می گیرد. به نحوی که جریان آب به قسمت بالای برج هدایت گشته و از طریق نازل های آب پاش بر روی پکینگ ها توزیع می شود. آب به صورت لایه های بسیار نازک روی سطوح پکینگ پخش شده و در نتیجه سطح تماس بسیار بزرگی با جریان هوای عبوری ایجاد می گردد. هوا از دو طریق آب را خنک می کند. بخشی از گرمای آب به واسطه انتقال حرارت (در صورت کمتر بودن دمای خشک هوا نسبت به دمای آب ورودی) دفع می شود، اما بخش اصلی خنک کاری آب ناشی از فرآیند تبخیر می باشد. نهایتاً هوای اشباع شده، از بالای برج در اتمسفر تخلیه می گردد و از طرف دیگر آب سرد انباشته شده در تشتک نیز از پایین برج خارج می شود.

قطره گیرهایی در بالای نازل های آب پاش تعبیه می شوند تا از عدم خروج قطرات آب به بیرون از برج خنک کننده، اطمینان حاصل شود.

به لحاظ چگونگی ایجاد جریان هوا، دو نوع کولینگ تاور یا برج خنک کننده مدار باز تعریف می شوند:

برج خنک کننده با جابجایی اجباری هوا: جریان هوا توسط عاملی خارجی، به شیوه جابجایی اجباری (Forced convection) در برج خنک کننده به وجود می آید. چنانکه به کمک فن های محوری یا سانتریفیوژ تعبیه شده، هوا درون برج خنک کننده به جریان می افتد.

برج خنک کننده با جابجایی طبیعی هوا: جریان هوا از طریق فرایند جابجایی طبیعی (Natural convection) و به واسطه ارتفاع زیاد برج خنک کننده، بدون وجود هیچ گونه نیروی خارجی ایجاد می شود. به مانند بسیاری از برج های نیروگاهی که از چنین روشی در ساخت آن ها استفاده می گردد.