برج خنک کن

برج خنک کننده

بهترین ماده برای تولید برج خنک کننده چیست؟

برج خنک کننده صنعتی عمدتاً از سه ماده ساخته می شوند: فلز، فایبرگلاس یا پلاستیک. همانطور که می دانید، فلز می تواند زنگ بزند و خورده شود، و هر آنچه در داخل آن است می تواند به مرور زمان دچار نشتی شود. جای تعجب نیست که برج های خنک کننده فلزی فقط تا 15 سال عمر مفید دارند و نیاز به نگهداری با رنگ اپوکسی، درزگیرها و موارد دیگر را داشته باشند. این تعمیر و نگهداری می تواند منجر به ایجاد وقفه در کسب و کار شما شود. به همین دلیل است که فلز در حال حاضر با تکنولوژی بهتری جایگزین شده است. تولید برج خنک کننده فایبر گلاس، اگرچه جایگزین بهتری برای فلز هستند، اما همچنان مستعد ترک و سایش هستند که می تواند منجر به هزینه های نگهداری طولانی مدت شود.

مزایای استفاده از پلاستیک مهندسی شده و فایبرگلاس چیست؟

برج های خنک کننده پلاستیکی مهندسی شده به گونه ای طراحی شده اند که در برابر ساییدگی مقاوم باشند. زنگ نمی‌زند یا ترک نمی‌خورد و می‌تواند شرایط محیطی سخت را تحمل کند. همچنین نیاز به تعمیر و نگهداری تقریباً صفردرصد را دارد. پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE)، بهترین پلاستیک مهندسی شده در تولید برج خنک کننده است، برخلاف برج های خنک کننده فلزی، بدون درز و مقاوم در برابر خوردگی ناشی از محیط است. با توجه به طول عمر بیش از 20 سال، می توانید یک برج خنک کننده فایبرگلاس نصب کنید تا یک بار برای همیشه بدانید که بعد از آن دیگر نگران آن نخواهید بود.

ساده‌ترین نوع از انواع طراحی برای برج ‌های خنک کننده یا کولینگ تاور استفاده از هوادهی به روش مکش طبیعی است. همان‌طور که می‌دانید هوای گرم دارای چگالی کمتری است و در نتیجه وقتی با لایه‌های هوایی متعددی مواجه باشیم، رو به بالا صعود می‌کند. از همین اصل سادۀ ترمودینامیکی جهت طراحی کولینگ تاور ها استفاده می‌شود. جریان هوا در این نوع از هوادهی وارد برج شده، با دریافت گرمای موجود در قطرات آب رو به بالا صعود می‌کند تا در نهایت از انتهای برج خارج شود.

این شکل از طراحی هزینه‌های کمتری جهت نگهداری دارد. اما در عوض به برج‌های خنک کننده با ارتفاع بیشتر و سطح مقطع بزرگتری نیاز خواهد بود؛ که هزینه‌های طراحی و راه‌اندازی را افزایش می‌دهد. این شکل از طراحی در نیروگاه‌های برق و برخی از فرایندهای صنعتی کاربرد دارد.

 جریان اجباری یا مکانیکی (Mechanical draft)

در این روش از فن‌های دمنده یا مکنده به منظور سرعت بخشیدن به جریان هوا کمک گرفته می‌شود. این فن‌ها می‌تواند در پایین برج نصب شود که در این صورت به آن اصطلاحاً دمیدن اجباری می‌گویند و در واقع شکل طراحی آن به صورتی است که جریان هوا را به سمت بالا هل می‌دهد. روش دوم نیز استفاده از فن‌های مکنده در بالای برج است؛ که جریان هوا را به سمت بالا کشیده و سپس به بیرون برج پرتاب می‌کند.

هرکدام از این دو روش مزایا و معایب خاص خود را دارند. برای مثال نصب فن‌ها در کف برج هزینه‌های نگهدای و تعمیرات را کاهش می‌دهد. اما در عوض به فن قدرتمندتری نیاز خواهید داشت. همچنین در این شکل از طراحی احتمال برگشت هوای گرم شده به درون برج خنک کننده نیز وجود دارد. در صورتی که نصب برج در بالای برج این مشکل را نخواهد داشت.

طرز کار برج خنک کننده

انواع برج خنک کننده یا کولینگ تاور بر اساس شیوۀ انتقال حرارت

در گذشته طراحی برج‌های خنک کننده بر مبنای برقراری تماس مستقیم بین جریان هوا و جریان آب صورت می‌گرفت. اما امروزه از شیوه‌های متفاوتی جهت انتقال حرارت در برج‌های خنک کننده استفاده می‌شود. برج ‌های خنک کن خشک و برج‌ های خنک کن خیس مهم‌ترین نوع دسته‌بندی و انواع برج خنک کننده در این نوع از طراحی است. 

اگر در طراحی فرایندهای صنعتی با مشکل کم آبی روبرو باشید، بهترین انتخاب استفاده از برج‌های خنک کنندۀ خشک است. در این روش می‌توان از سیال‌های فرایندی یا انواع مبردهای صنعتی به جای جریان آب کمک گرفت. در این شیوۀ طراحی از چندین کویل حرارتی در مسیر جریان هوای برج استفاده می‌شود. به شکلی که این کویل‌های حرارتی در فضای داخل برج نصب می‌شوند؛ که سیال فرایندی در داخل لوله‌های کویل جریان خواهد داشت. سپس جریان هوا در داخل برج برقرار شده و با سطح کویل تماس حاصل می‌کند. به این شکل این سیال خنک شده و به منظور خنک کاری تأسیسات صنعتی و نیمه صنعتی می‌توان از آن استفاده کرد. مزیت‌های این روش کاهش هزینه‌های جاری و راه‌اندازی برج است. اما عیب مهم آن کاهش ضریب عملکرد آن و تولید سر و صدای زیاد خواهد بود. 

کولینگ تاور های معمولی یا دسته‌ای از برج‌های خنک کننده که برج‌های مدار باز نیز خوانده می‌شوند، از این دسته هستند. در این شکل از طراحی جریان آب به صورت مستقیم با جریان هوا ارتباط برقرار کرده، بر اثر این تماس انتقال حرارت صورت می‌گیرد. این روش طراحی بازده بالاتری دارد. اما در عوض هزینه‌های راه اندازی این برج‌ها بیشتر خواهد بود. 

کولینگ تاور مدار بسته

برج‌های خنک کنندۀ مدار بسته به صورتی طراحی می‌شوند که می‌توان گفت تلفیقی از دو برج خنک کنندۀ خشک و خیس هستند. در این برج‌ها کماکان از کویل‌های حرارتی و سیال فرایندی استفاده می‌شود. اما این کویل‌ها در تماس با جریان آب خنک می‌شوند. در حقیقت در این روش آب از بالای برج به داخل آن پمپ شده و در اثر تماس با جریان هوا خنک می‌گردد. سپس همین آب خنک شده در تماس با کویل‌های حرارتی باعث خنک شدن سیال فرایندی جاری در کویل خواهد شد. این شیوۀ طراحی باعث کاهش ابعاد مورد نیاز جهت طراحی برج‌های خنک کننده شده و عملکرد برج را نیز بهبود می‌بخشد. اما در عوض هزینه‌های طراحی، ساخت و نگهداری آن بالاتر از برج‌های مدار باز خواهد بود. به همین خاطر انتخاب آنها به جز در موارد خاص مقرون به صرفه نیست و کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. جهت مطالعه بیشتر در خصوص مقایسه برج خنک کننده مدار بسته و باز به این مقاله مراجعه کنید.

برج‌ خنک کن یا همان کولینگ تاور ها به نوعی یک مبدل حرارتی بزرگ به حساب می‌آیند؛ که امروزه از آنها جهت دفع حرارت از دستگاه‌ها یا فرایندهای صنعتی استفاده می‌شود. اساس کار برج‌های خنک کننده تبخیر قطرات ریز آب در تماس با جریان هوا است که در نتیجه منجربه کاهش دمای آب می‌شود. از این آب خنک شده به منظور خنک‌سازی دستگاه‌ها یا فرایندهای صنعتی می‌توان سود برد. طراحی کولینگ تاورها به اشکال متفاوتی طراحی می‌شوند؛ اما در نهایت در تمامی این طراحی‌ها هدف افزایش تماس بین قطرات ریز آب با جریان هوا است. مهم‌ترین اجزای یک برج خنک کننده عبارتند از بدنۀ اصلی، سیستم هوادهی، سیستم آبرسانی، سطوح خنک‌کننده، قطره‌گیرها و … که طراحی هر یک از این اجزا نیز ممکن است متفاوت باشد.

برج خنک کننده یا برج خنک کن وسیله‌ای برای دفع حرارت زاید آب مورد استفاده در چگالنده به جو از طریق تبادل حرارتی با هوا است. برج‌ خنک کن معمولاً با تبخیر آب، حرارت ایجاد شده در یک واحد شیمیایی را دفع کرده و سیال سرویس را تا دمای حباب مرطوب هوا پایین می‌آورند؛ البته باید در نظر داشت در برخی از برج‌ های خنک کن با چرخه بسته که به برج خنک‌ کن خشک مشهور هستند، کاهش دمای سیال سرویس صرفاً تا دمایی نزدیک به دمای حباب خشک هوا امکان‌پذیر است. به عبارت ساده‌تر، برج خنک‌ کننده سیستمی است که از آن به جهت خنک‌سازی آبی در فرایندهای سردسازی سیستم‌های تهویه مطبوع، پالایشگاه‌ها، نیروگاه‌ها و غیره استفاده می‌گردد.

نحوه کار برج خنک کننده اصلی ترین دلیل بکارگیری آن بعنوان خنک کاری است. بنابراین نحوه عملکرد آن را در همین ابتدا معرفی میکنیم. برج خنک کننده ( کولینگ تاور ) دستگاهی است که با ایجاد سطح وسیع تماس آب با هوا تبخیر آسان می کند و باعث خنک شدن سریع آب می گردد. عمل خنک شدن در اثر از دست دادن گرمای نهان تبخیر انجام می گیرد، در حالی که مقدار کمی آب تبخیر می شود و باعث خنک شدن آب می گردد. برج خنک کننده همچین با نام های: کولینگ تاور ، هواساز ، ایرواشر ، چیلر ، تهویه مطبوع نیز شناخته می‌شود.

اصلی ترین سوال برای توضیح کولینگ تاور این است که برج خنک کننده چیست ؟

در موضوع کولینگ تاور باید توجه داشت آب مقداری از گرمای خود را به طریق تشعشع ، هدایتی وجابجایی و بقیه از راه تبخیر از دست می‌دهد.

انواع برج خنک کننده

دراکثر کارخانه جات کوچک و بزرگ یکی از مهمترین و اساسی ترین دستگاهها می توان انواع برجهای خنک کننده (کولینگ تاور )  را نام برد. برج های خنک کننده ( کولینگ تاور ) علاوه بر آب به منظور خنک کردن سیالاتی دیگر در صورت لزوم مورد استفاده واقع می شود .

با توجه به اینکه برج های خنک کننده ( کولینگ تاور ) معمولاً حجیم می باشند و بعلت پاشیدن آب در محیط اطراف خود و خرابی تجهیزات آن را معمولاً در انتهای فرایند نصب می کنند.

اگراز تجهیزات برجهای خنک کننده صرف نظر نشود برای ساخت برج تکنولوژی بالایی نیاز نیست همانطور که در ایران در حال حاضر ساخت این برجها در حد وسیعی صورت می گیرد. برجها با توجه به شرایط فیزیکی و شیمیایی خاص خود دچار مشکلاتی می شوند ولی معمولاٌ زمانی لازم است تا این مشکلات برج را از کار بیاندازد طولانی است.، ولی عملاٌ اجتناب ناپذیر است. 

در برج خنک کننده ‌های مرطوب (Wet-Cooling Tower) آب گرم از بالای برج با عبور از پکینگ‌ها و برخورد با جریان هوای تازه که از محیط بیرون توسط فن و یا بصورت طبیعی وارد برج می‌شود ضمن تبادل حرارتی و خنک شدن در پایین برج ته نشین می‌شود.مهمترین عیب برج خنک کننده های مرطوب پاشیدن ذرات آب به اطرف و همچنین تبخیر بیش از حد آب می‌باشد.

طرز کار برج خنک کننده

اگر داخل بالن شیشه ای مقداری آب مقطر بریزیم سپس با درپوش و اتصالات مناسب بوسیله پمپ خلاء و یا واکیوم نمائیم ومانومتری دقیق ( جیوه ای ) میزان خلاء را نشان دهد. با توجه به دمای محیط مشاهده خواهیم کرد در درجه ای از فشار ( وکیوم نسبی ) آب داخل بالن شروع به جوشیدن می کند. ( بدون اینکه چراغ یا هیتری جهت گرم کردن ظرف بکار گرفته باشیم ) و نهایتا بعد از چند لحظه جداره ظرف کاملا سرد خواهد شد.

اساس کار چیلرهای جذبی را می توان با آزمایش فوق شرح داد.

اکنون بر اساس این آزمایش می توان به چند اصل فیزیکی و نهایتا تولید برودت پی برد. در وهله اول باید توضیح دهیم چگونه آب بدون اینکه توسط شعله یا هیتری گرم شود شروع به جوشیدن نموده است؟ پدیده جوش یا به اصطلاح علمی تغییر فاز از حالت مایع به بخار به رابطه دو عامل دما و فشار مایع و همچنین ساختار ملوکولی آن بستگی دارد.

به عنوان مثال: آب یا H2O در شرایط فشار یک اتمسفر در ۱۰۰ درجه سانتیگراد به جوش خواهد آمد حال اگر عامل فشار تغییر یابد و در ظرفی در بسته فشار آب را به ۲ اتمسفر برسانیم در ۱۲۰ درجه بجوش می آید ( مانند آنچه در دیگهای زود پز اتفاق می افتد ) عکس این عمل نیز صادق است یعنی اگر داخل این ظرف را به وسیله پمپ واکیوم، خلاء نمائیم یعنی از شرایط طبیعی که فشار یک اتمسفر است به سمت کاهش فشار حرکت کنیم مثلا در نیم اتمسفر، آب در ۸۱ درجه سانتیگراد به جوش خواهد آمد. و اگر خلاء را بیشتر کنیم تا ۶ mmHg ( حدود یک صدم فشار جو ) آب با دمای حدود ۶ درجه سانتیگراد به جوش خواهد آمد. این خاصیت در مایعات مختلف فرق می کند، مثلا مایع آمونیاک یا الکل یا مایع فریونهای مختلف هر کدام در فشار معیین تغییر فاز خواهند داد و تبخیر خواهند شد. مانند آنچه در یخچالهای خانگی اتفاق می افتد، بنابر این از نقش دو عامل فشارو دمای مایع در تبخیر آگاه شدیم.