برج خنک کننده 

برج خنک کننده (خیس، اتمسفریک ) چیست؟

برج خنک کننده دستگاهی برای دفع حرارت است، که گرمای جذب شده از طریق خنک سازی جریان آب به دمای پایین تر را به جو می دهد. در حقیقت آب گرم شده در فرآیند های صنعتی و یا تهویه مطبوع برای استفاده مجدد نیاز به کاهش دما به مقدار مشخصی دارد که به این منظور از کولینگ تاور استفاده می شود. برج خنک کننده از قرن 19 میلادی مورد استفاده قرار می گیرد، در نمونه های اولیه این سیستم به صورت بتنی و فلزی ساخته می شد که  به مرور در طی زمان با پیشرفت جوامع صنعتی نیاز به برج های خنک کننده نیز افزایش یافت و با توجه به محدودیت ها و مشکلات سازه های بتنی و فلزی تولید کنندگان برج خنک کننده به سمت استفاده از فایبرگلاس روی آوردند. فایبر گلاس دارای وزن سبک، مقاومت بالا در برابر تغییرات آب و هوایی ، خوردگی ، نشت و... می باشد، که آن را به گزینه ای مناسب جهت تولید بدنه ی برج خنک کننده تبدیل می سازد.

برج های خنک کننده از لحاظ عملکرد به دو نوع خشک و خیس تقسیم بندی می شود. در برج خنک کننده خیس سیستم از طریق تبخیر عمل خنک سازی را انجام می دهد به همین علت به این نوع کولینگ تاور تبخیری نیز گفته می شود.

نوع دفع حرارت در یک برج خنک کننده از این نظر تبخیری نامیده می شود که به شما اجازه می دهد قسمت کمی از آب خنک شده در یک جریان هوای متحرک، تبخیر شود تا جریان خنکی برای بقیه آب در گردش فراهم شود. گرمای دفع شده ی آب، دمای هوا و رطوبت نسبی آن را به 100 درصد می رساند و این جریان هوا به جو انتقال می یابد.

برج های خنک کننده تبخیری در مقایسه با دستگاه های دفع حرارت موجود با سیستم خشک یا هوا خنک مانند رادیاتور اتومبیل ، تامین مقدار قابل توجهی آب با دمای پایین تر و هزینه های پایین تر را ممکن می سازد. 

با تامل در زمان هایی که شما میبینید، با قرار دادن آب بر سطح چیزی داغ به سرعت آن چیز خنک می شود چون آب تبخیر شده و حرارت از دست می دهد و همان طور که می دانیم فرآیند تبخیر فرآیندی گرما گیر است، هماننند رادیاتور اتومبیل که بسیار داغ شده باشد. پتانسیل خنک سازی یک سطح خیس بسیار بیشتر از یک سطح خشک است.

کاربری معمول برج خنک کننده تهیه آب خنک برای سیستم های تهویه مطبوع، تهیه و تولید برق است. کوچک ترین برج های خنک کننده برای کنترل جریان های آبی که در لوله های کوچک صرفا چند گالن آب در دقیقه همانند آن چیزی که در واحد های مسکونی مشاهده می شود طراحی شده اند، در حالی که بزرگترین برج های خنک کننده در لوله هایی با قطری به بزرگی 15 فوت ( در حدود 5 متر) صدها هزار گالن آب را در نیروگاه های بزرگ تامین می کنند.

اصطلاح عمومی برج خنک کننده برای توصیف دو نوع تجهیزات دفع حرارت مستقیم ( مدار باز) و غیر مستقیم ( مدار بسته) استفاده می شود. در حالی که اکثرا برج خنک کننده به عنوان یک دستگاه دفع حرارت تماس مستقیم تصور می شود، خنک کننده غیر مستقیم که گاهی اوقات " برج خنک کننده مدار بسته " نیز نامیده می شود هم برج خنک کننده است .

برج خنک کننده مدار باز

در برج های  خنک کننده مدار باز تماس مستقیم بین آب و هوا وجود دارد. می توان گفت برج خنک کننده مدار باز یک مبدل حرارتی است که برای خنک کلردن آب از تماس مستقیم با هوا استفاده می کند. انتقال گرما تا حدی به دلیل تبادل گرما بین هوا و آب اتفاق می افتد اما عمدتا به دلیل تبخیر مقدار کمی از آب است که باید خنک شود. این فرآیند اجازه می دهد تا آب به دمای پایین تر از دمای محیط برسد. فر آیند خنک سازی آب در برج خنک کننده مدار باز به صورت زیر می باشد

-          آبی که باید خنک شوذ به بالای برج هدایت می شود.

-          نازل ها آب را بر روی پکینگ مدیا توزیع می کنند.

-          آب به شکل یک لایه نازک و یکنواخت روی سطح پکینگ مدیا پخش می شود. این امر منجر به ایجاد یک سطح تبادل گرمای بزرگ خواهد شد.

-          فن هوای داخل برج را خارج می نماید.

برج های مدار باز از اجزای زیر تشکیل می شوند:

1-      الکتروموتور: پروانه برج خنک کننده برای چرخش و ایجاد جریان هوا درون برج به نیرو نیاز دارد. این نیرو توسط الکتروموتور تامین می شود. التروموتور ها طوری انتخاب می شوند تا در شرایط کاری دشوار برج خنک کننده مانند تماس با آب، برق، تغییرات دمایی، گرد و غبار و... مقاوم باشند. انواع الکتروموتور با عایق بندی مناسب جهت استفاده در برج های خنک کننده در بازار موجود است که با توجه به نوع برج و ظرفیت آن انتخاب می شوند.

2-      فن یا پروانه : مسئول تامین گردش هوای مورد نیاز برای فرآیند خنک سازی است که می تواندبا توجه به ظرفیت برج خنک کننده از جنس پلی آمید، آلومینیوم یا فایبرگلاس باشد.  فن های برج خنک کننده تبخیری و برج های خنک کننده صنعتی یا در داخل برج خنک ککنده ( فن های گریز از مرکز) جایی که هوا وارد می شود، نصب می شوند و یا در قسمت بالای آن ( فن های محوری) قرار می گیرند. فن های گریز از مرکز هوا را به داخل برج هدایت می کند در حالی که یک فن محوری هوا را به سمت بالا می مکد تا فشار منفی ایجاد کند که به نوبه خود اطمینان یابد هوای تازه ی بیشتری به درون برج جریان یابد.

3-      اسپرینکلر هد یا آب پخش کن : این قطعه جهت توزیع آب در برج خنک کننده مدور استفاده می شود و ازسه جنس پلاستیکی ABS ، آلومینیوم و پی وی سی می باشد. در مرکز برج خنک کننده و به لوله آب ورودی نصب شده و به واسطه فشار آب ورودی می چرخد. تعداد خروجی ها با توجه به سایز لوله ورودی 4 تا 8 خروجی است.

4-      نازل ها:  یکی از قطعات مهم کولینگ تاور است که وظیفه آن توزیع آب گرم  در شعاعی معین بر سطح پکینگ مدیا می باشد. سیستم توزیع آب در کولینگ تاور بر روی پکینگ ها شامل لوله، نازل، واشرهای اورینگ، در پوش و ... است که به دو صورت مربعی پاش و یا دایره ای پاش این عمل را انجام می دهد. نازل های برج خنک کننده در انواع مختلف وجود دارد که با توجه به نوع برج خنک کننده و کاربری آن انتخاب می شود. نازل های برج خنک کننده با نام های چپوقی، پروانه ای، مربع پاش، بالتیمور، SPN و ... شناخته می شوند که براساس سایز، نوع اتصالات، جنس بدنه، نوع پاشش آب و زاویه آن، فشار کاری و ... تقسیم بندی شده اند.

5-      پکینگ مدیا : بلوک هایی با ابعاد مشخص از جنس پی وی سی ، پلی پروپیلن یا چوب می باشد، که به صورت طبقاتی روی یک دیگر قرار می گیرند. پکینگ مدیا یک سطح گسترده و مناسب جهت تماس آب و هوا را به منظور دفع حرارت آب به هوا و تبخیرفراهم می کند. آب با عبور از سطح پکینگ مدیا و تماس مستقیم با هوایی که به درون برج خنک کننده جریان دارد خنک می شود.  پکینگ مدیا سطح و زمان کافی را در اختیار آب گرم برای خنک شدن قرار می دهد . همان طور که اشاره شد پکینگ مدیا به صورت ورقه های بلوکی از جنس پلیمر ساخته می شوند که در برابر عواملی مانند مواد شیمیایی، رسوب، خوردگی و مواد بیولوژیک مقاوم هستند. و در دو نوع فیلمی و نت اسپلش طراحی و ساخته می شوند. پکینگ مدیای فیلمی از ورق های نازک PVC در کنار یکدیگر تشکیل شده است که یک غشا نازک از آب روی آن پخش می شود. بلوک های پکینگ در داخل برج خنک کننده قرار می گیرند. این نوع پکینگ سرعت انتقال گرما را افزایش می دهد و باعث خنک سازی آب می شود. پکینگ نت اسپلش از جنس پلی پروپیلن ساخته شده که به طور خاص در برج های خنک کننده با آب متوسط تا به شدت آلوده استفاده می شود. این نوع پکینگ در برابر خوردگی و رسوب مقاوم بوده و همچنین به راحتی نصب می شود. از لحاظ ظاهری پکینگ های نت اسپلش از شبکه های مکانیکی مشترک ساخته شده و به راحتی تمیز می شوند. عملکرد این پکینگ ها بالا بوده و افت فشار بهینه را ایجاد می کنند.

6-      قطره گیر : در هر برج خنک کننده به دلیل فرآیند خنک کننده تبخیری آب به محیط زیست وارد می شود. از دست دادن نا مطلوب آب به محیط زیست از طریق قطرات کوچکی است که همراه جریان هوا خارج می شوند. قطره گیر ها برای گرفتن قطرات بزرگ آب از جریان هوا طراحی شده اند و این کار را با تغییر جهت قطرات و از دست دادن سرعت در اثر برخورد به دیواره های تیغه و سقوط دوباره به برج انجام می دهند. قطره گیر ها از جنس پی وی سی یا پلی پروپیلن می باشند. که در بالای سطوح انتقال حرارت یا پکینگ مدیا ها قرار می گیرند. دو مدل قطره گیر با نام های لانه زنبوری و تیغه ای طراحی و ساخته می شود. قطره گیر های پلی پرو پیلن از مقاومت بالاتری برخور دار بوده و معمولا در شرایط کاری با دمای بالاتری مورد استفاده قرار می گیرند.

7-      تشتک: در پایین برج خنک کننده برای جمع آوری آب خنک شده و باز گردانی آب به سیکل به وسیله پمپ تعبیه شده است.

برج خنک کننده مدار بسته

یک برج خنک کننده جریان غیر مستقیم یا مدار بسته، هیچ گونه تماس مستقیمی بین هوا و مایع را که معمولا آب یا مخلوطی از  گلیکول است، ندارند. بر خلاف برج خنک کننده مدار باز، برج خنک کننده غیر مستقیم دارای دو مدار سیال جداگانه است.

یک مدار داخلی آب درون کویل ها و یک مدار خارجی که آب بیرون از کویل ها جریان دارد. آب خنک در تماس با هوا با جریان یافتن بر سطح خارجی کویل تبخیر شده و موجب از دست دادن دمای آب گرم داخل کویل ها می شود و فرآیندی مشابه کولینگ تاور مدار باز فراهم می آورد. به طور خلاصه در این فرآیند گرما از مدار سیال داخلی بین دیواره های کویل ها به مدار خارجی جریان می یابد و سپس با گرم کردن هوا و تبخیر بخشی از آب به جو منتقل می شود. بنابراین عملکرد برج خنک کننده غیر مستقیم بسیار شبیه به برج های خنک کننده مدار باز هستند. تنها تفاوت این است که در برج مدار بسته سیال به طور مستقیم در معرض جو یا جریان آب خارجی قرار نمی گیرد.

کویل ها در دو نوع مسی و گالوانیزه تولید و عرضه می شوند. در کولینگ تاور مدار بسته معمولا از کویل های مسی به عنوان کارآمدترین نوع کویل استفاده می شود زیرا این نوع کویل دارای ضریب انتقال حرارت بالا و راندمان بالاتری نسبت به کویل گالوانیزه می باشد. با توجه به مزیت های بیان شده در ارتباط با کویل مسی باید در نظر داشت که قطر و ضخامت کم لوله های مسی در مصارف صنعتی ممکن است مشکلاتی مانند سوراخ، نشتی و یا رسوب را به همراه داشته باشد به همین دلیل  کویل های گالوانیزه بهینه شده ترجیحا برای برج های بزرگتر مورد استفاده قرار می گیرند. کویل ها در قیمت تمام شده برج خنک کننده مدار بسته نقش مهمی دارند. کویل های مسی نسبت به کویل های گالوانیزه قیمت بالاتری دارند و در نتیجه برای جلوگیری از مشکلات کویل مسی در محیط صنعتی و کاهش هزینه ها در برج های صنعتی با ظرفیت بالا از کویل های گالوانیزه استفاده می شود.

مورد مهم دیگری که در رابطه با کویل ها باید مورد توجه قرار گیرد تمیزی کویل هاست. کویل های صنعتی می توانند محل تولید میکرو ارگانیسم ها باشند و این می تواند به سادگی در محیط شما پخش شود. همچنین تجمع آلودگی در کویل می تواند کارایی پمپ را کاهش دهد. بنابراین رسیدگی به کویل نیز حائز اهمیت می باشد.

برج خنک کننده مدار بسته کل فرآیند خنک سازی را از جو جدا می کند. این امر با ترکیب تجهیزات دفع گرما با یک مبدل حرارتی در برج انجام می شود. برج خنک کننده مدار بسته از کیفیت سیال فرآیند محافظت می کند، تعمیر و نگهداری سیستم را کاهش می دهد و انعطاف پذیری عملیاتی را با هزینه اولیه کمی بالاتر فراهم می کند.

اگر در پروژه ای برج خنک کننده  باید در طول سال در ظرفیت کامل کار کند، حفظ یک مدار پاک و قابل اعتماد بسیار مهم است. جداسازی سیال فرآیند در سیستم مدار بسته از ورود آلودگی های هوا و رسوب آن به سیستم جلو گیری می کند . حفظ عملکرد بهینه در یک سیستم مدار باز برای اطمینان از کارایی مشابه نیاز به سرویس منظم دارد. چیلر ها و مبدل های حرارتی با بازده بالا به آب تمیز متکی هستند و حتی مقادیر کمی رسوب گذاری بر آن ها تاثیر می گذارد. از آن جا که سیال فرآیند یک سیستم مدار بسته کاملا از محیط جدا شده است نگهداری معمول فقط در تجهیزات دفع گرما لازم است.

برج جریان مخالف و جریان متقاطع

برج خنک کننده با توجه به نوع تماس آب و هوا به دو نوع جریان مخالف و جریان متقاطع شناخته می شوند .

در یک برج خنک کننده جریان مخالف هوا از پایین دستگاه به سمت بالا در بین پکینگ یا کویل ها و مخالف جریان آب حرکت می کند. در یک برج خنک کننده جریان متقاطع، هوا به صورت افقی بین پکینگ ها در راستای جریان آب حرکت می کند. برج خنک کننده جریان مخالف به دلیل راندمان کاری بالا و قابلیت کاهش دمای بیشتر آب، محبوب تر از برج خنک کننده جریان متقاطع می باشد. سیستم توزیع آب در برج جریان مخالف از طریق فشار پمپ و نازل ها می باشد. پروانه در قسمت بالایی برج قرار گرفته و هوا را به بالا مکش می کند به همین دلیل امکان خروج قطرات آب از برج زیاد می باشد که در این مرحله قطره گیر وارد عمل می شود.

برج های خنک کننده همچنین با توجه به نوع جریان هوا نیز شناخته می شوند. برج های خنک کننده با طراحی مکانیکی به فن های محرک متکی هستند تا هوا را از برج خارج کنند و یا به آن وارد کنند. برج های خنک کننده با طراحی طبیعی از رانش هوای خروجی بالارونده از دودکش برای فراهم کردن هوای مورد نیاز استفاده می کنند. در یک برج خنک کننده با طراحی طبیعی به کمک فن از طراحی مکانیکی برای تقویت اثر رانش هوا به کار گرفته می شود. بسیاری از برج های خنک کننده اولیه برای تولید جریان هوا فقط به باد متکی بودند.

آب جبرانی

اگر آب خنک شده از برج خنک کننده برای استفاده مجدد باز گردانده شود، باید مقداری آب به جای بخشی از جریان آب که تبخیر شده است برای جایگزینی افزوده یا ترکیب شود. از آن جا که تبخیر متشکل از آب خالص است، غلظت مواد معدنی محلول و دیگر جامدات  در آب در گردش تمایل به افزایش دارند مگر اینکه برخی از ابزارهای کنترل مواد جامد محلول فراهم شود.

مقداری از آب نیز توسط قطره هایی که با هوای خروجی پیش می روند از دست می رود( رانش).  اما به طور معمول با نصب تجهیزاتی شبه بافل که قطره گیر نامیده می شوند و برای جمع آوری قطرات هستند، مقدار آب از دست رفته بسیار کاهش می یابد. مقدار جریان آب باید برابر با مجموع کل تبخیر، رانش و سایر تلفات آب مانند نشت باشد، تا سطح آب را ثابت نگه دارد.

برخی از اصطلاحات مفید که معمولا در صنعت برج خنک کننده استفاده می شود:

Drift :  قطرات آب به وسیله هوای خروجی در برج خنک کننده پیش برده می شوند. قطرات رانشی همان غلظت ناخالصی آب ورودی به برج را دارند. سرعت رانش به طور معمول به وسیله قطره گیر ها کاهش می یابد و هوا بعد گذر از پکینگ ها  و بخش های پاششی برج جریان می یابد.

Blow-out: خروج  قطرات آب با فشار باد از برج خنک کننده که به طور کلی در دهانه های ورودی برج خنک کننده رخ می دهد. در صورت عدم وجود باد، امکان از دست رفتن آب به صورت پاشش و یا مه پاشی وجود دارد. برای محدود کردن این تلفات از تجهیزاتی همانند لوورها استفاده می شود.

Plume: جریان هوای اشباع شده از برج خنک کننده خارج می شود. هنگامی که بخار آب در تماس با هوای خنک قرار می گیرد، متراکم شده و قابل مشاهده می باشد، مانند بخار تنفس یک فرد در روز سرد. تحت شرایط خاص ممکن است یک برج خنک کننده مه یا خطرات یخ زدگی را در اطراف خود ایجاد کند. توجه داشته باشید که آب تبخیر شده فرآیند برخلاف درصد بسیار کمی از قطرات رانده شده از ورودی های هوا ، خالص است.

Blow-down: بخشی از جریان آب در گردش که به منظور حفظ غلظت مواد جامد محلول و دیگر ناخالصی ها در سطح قابل قبولی حذف می شود.

Leaching: (تصفیه به وسیله شستن) از بین رفتن مواد شیمیایی نگه دارنده در برج های خنک کننده چوبی در اثر تصفیه آب جریان یافته .

Noise: انرژی صوتی که به وسیله برج خنک کننده ساطع می شود و در فاصله و جهت معینی شنیده می شود. این صدا در اثر افتادن و اصابت آب با حرکت هوا به وسیله فن ها، پره های در حال حرکت فن در سازه، موتورها، گیربکس ها یا تسمه های متحرک تولید می شود.