بررسی انواع برج خنک کننده مدار باز و مدار بسته
در علم مهندسی مکانیک و شاخه سیستم های تهویه مطبوع و برودتی، برج خنک کننده یا کولینگ تاور از جمله تجهیزات سرمایشی محسوب می شود که کاربرد فراوانی در این حوزه دارد. در این گزارش با تکیه بر دانش متخصصان شرکت تهویه نگار قصد داریم ضمن معرفی انواع برج خنک کننده، اجزا و نحوه کارکرد این سیستم ها را بررسی کنیم. این دستگاه در صنایع مختلفی از جمله نیروگاه های تولید برق، پتروشیمی ها، تولید مواد غذایی و همچنین برای تأمین آب خنک کاری لازم در چیلرهای تراکمی آبی و چیلر جذبی نیز به کار می رود.
برج خنک کننده (کولینگ تاور) چیست؟
برج خنک کننده یک مبدل حرارتی ویژه است که در آن هوا و آب به منظور کاهش دمای آب در تماس مستقیم با یکدیگر قرار می گیرند. با وقوع این امر ، حجم کمی از آب تبخیر می شود و باعث کاهش دمای آب در حال گردش از طریق برج می شود
حال که فهمیدیم برج خنک کننده نوعی مبدل حرارتی است، ممکن است این سوال در ذهن شما شمل گرفته باشد که خود مبدل حرارتی چه معنایی دارد؟ مبدل حرارتی یعنی دستگاهی که به وسیله آن انرژی گرمایی از جسمی گرفته شده و به جسم دیگر منقل می شود و این تبادل گرما به وسیله یک مبدل گرمایی یا حرارتی ایحاد می شود.
با توجه با تعریف فوق، متوجه می شویم که نوع سرمایش برج های خنک کننده مشابه کولر آبی است، یعنی با تبخیر بخشی از جریان آب به وسیله جریان هوا، دمای آب کاهش می یابد. مشابه چنین امری را در کوزه های سنتی نیز می توان یافت.
اجزای برج خنک کننده (کولینگ تاور)
در شکل زیر مهم ترین قطعات و بخش های تشکیل دهنده برج ها نشان داده شده است که عبارتند از :
-
فن -
نازل های آب پاش -
پکینگ -
پوردت یا دریچه آب جبرانی -
دریچه آب تخلیه -
پورت آب سر ریز -
پورت آب داغ ورودی -
پورت آب سرد خروجی
نحوه عملکرد کولینگ تاور
آبی که توسط یک فرآیند صنعتی و یا در یک کندانسور دستگاه تهویه مطبوع نظیر چیلر یا هواساز، گرم می شود، از طریق پمپ و مسیر لوله کشی به برج خنک کننده منتقل می شود. آب از طریق نازل ها آب پاش به داخل مواد ماده ای به نام “پکینگ” پاشیده می شود که جریان آب را از برج خنک کننده آهسته می کند و تا آنجا که ممکن است سطح آب را برای حداکثر سطح تماس هوا و آب در معرض یکدیگر قرار می دهد. هنگامی که آب از برج خنک کننده عبور می کند ، در معرض جریان هوا قرار می گیرد. این جریان هوا که توسط الکتروموتور و فن های برج خنک کننده به داخل برج کشیده شده است.
وقتی آب و هوا به هم می رسند ، مقدار کمی آب تبخیر می شود و یک عمل خنک کننده یا سرمایشی ایجاد می کند. سپس آب خنک شده مجدداً به کندانسور یا تجهیزات مربوطه که نقش کاهنده دما را دارند و گرما را جذب می کنند پمپ می شود. سپس دوباره به برج خنک کننده پمپ می شود تا یک بار دیگر خنک شود و این سیکل به طور مداوم تکرار می شود.
انواع برج خنک کننده
برج خنک کننده در بازار تهویه مطبوع و برودت صنعتی بر دو مبنای مهم دسته بندی می شود:
-
جنس کواینک تاور -
نوع مدار برج خنک کننده
برج های خنک کننده بر اساس اینکه از چه جنسی ساخته می شوند به دو دسته تقسیم شده اند:
-
برج خنک کننده فایبرگلاس (Fiberglass cooling tower) -
برج خنک کننده فلزی (Metal cooling tower)
کولینگ تاور فلزی معمولا از جنس فولاد ضد زنگ یا ورق گالوانیزه است.
از لحاظ نوع مدار طراحی شده نیز دو نوع کولینگ تاور داریم:
-
کولینگ تاور مدار باز (Open circuit) -
کولینگ تاور مدار بسته (Closed circuit)
برج خنک کننده مدار باز و مدار بسته چه تفاوتی دارند؟
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.
در برج های خنک کننده مدار بسته، بین جریان آبی که بایستی خنک شود و جریان هوای عبوری، هیچ گونه تماس مستقیمی وجود ندارد. چنانکه مبدل حرارتی دیگری (کویل) داخل برج تعبیه شده که جریان آب مورد نظر از درون آن عبور می کند. جریان آب دیگری از تشتک به قسمت بالای برج هدایت گشته و از طریق نازل های آب پاش بر روی لوله های کویل توزیع می شود. به این ترتیب، مقداری از ذرات اتمیزه شده آب، در اثر برخورد با سطح داغ لوله ها، تبخیر شده و باعث کاهش دمای آب درون لوله ها می گردد. جریان هوای عبوری از روی کویل نیز شرایط را برای تبخیر بهتر ذرات آب فراهم می کند. به طوری که باعث می شود، هوای اشباع شده از برج خارج و هوای خشک و تازه جایگزین آن شود. البته کمتر بودن دمای خشک هوا در مقایسه با دمای سطح لوله ها، به خنک کردن آب درون لوله ها نیز کمک می کند.
برج های خنک کننده مدار باز، آب خنک کننده فرآیند را در معرض جو و هوای محیط قرار می دهند. به طور معمول آب سرد خروجی از برج نیز به عنوان بخشی از یک حلقه سیستم چیلر عمل می کند. برج های مدار باز از طراحی کارآمد ، ساده و اقتصادی برخوردار هستند و تمام اجزای موجود در یک سیستم باز باید با اکسیژن وارد شده از طریق برج خنک کننده سازگار باشند.
برج های خنک کننده مدار بسته ، مایع خنک کننده فرآیند را از جو کاملاً جدا می کنند. این امر با استفاده از یک مبدل حرارتی اضافه شده به برج امکان پذیر است. سیستم حلقه 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.
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.
برج های خنک کننده مدار باز، با هر نوع جابجایی هوا، به دو شکل طراحی می شوند:
جریان مخالف (Counter flow): در این نوع برج های مدار باز، امتداد جریان ذرات آب و هوای عبوری یکسان، اما جهت آن ها مخالف یکدیگر است.
کولینگ تاور فایبرگلاس و فلزی چه تفاوت هایی با هم دارند؟
در واقع استفاده از برج های ساخته شده از فایبرگلاس قیمت بسیار کمتری دارند و از طرفی وزن چنین کولینگ تاورهایی به مراتب کمتر از نوع فلزی است. اما باید به این نکته توجه کنیم که برج خنک کننده فلزی چه از جنس فولاد ضد زنگ (Stainless steel) و چه از جنس ورق گالوانیزه (Galvanized) دارای عمر مفید بیشتری هستند و در فرآیندهای صنعتی که ممکن است دستگاه نیاز به روشن بودن دائمی داشته باشد عملکرد بهتری داشته باشند.
اما امروزه در اکثر پروژه های تهویه مطبوع در صورتی که از چیلر تراکمی آبی یا چیلر جذبی استفاده شود، کولینگ اور یا برج فایبرگلاس بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد.
اگر کولینگ تاور از مواد اشتعال زا طراحی و ساخته شوند به دلیل نسبت سطح به حجم بالا ممکن است حریق جدی و شدیدی را سبب شود و از آنجا که این دستگاه اغلب در مجتمع های مسکونی و یا صنعتی کاربرد دارد احتمال دارد خطر جدی برای ساکنان واحدهای مسکونی یا کارگاه های صنعتی ایجاد کند. لذا توصیه می شود همیشه بنا بر استانداردهای لازم، کولینگ تاور به همراه سیستم ضد حریق نصب شود.
به منظور انتخاب صحیح کولینگ تاور از لحاظ ظرفیت برودتی، جنس بدنه، مدار طراحی و… حتما بایستی با شرکت های نعتبر حوزه تهویه مطبوع مشاوره کنید