برج خنک کننده چگونه کار میکند

برج خنک کننده یا برج خنک کن

(به : Cooling tower) وسیله ای برای دفع آب مورد استفاده در به از طریق با هوا است. برج های خنک کن معمولاً با آب، حرارت ایجاد شده در یک واحد شیمیایی را دفع کرده و را تا دمای حباب مرطوب هوا پایین می آورند؛ البته باید در نظر داشت در برخی از چرخه بسته که به برج خنک کن خشک مشهور هستند، کاهش دمای سیال سرویس صرفاً تا دمایی نزدیک به دمای حباب خشک هوا امکان پذیر است.

به عبارت ساده تر، برج خنک کننده سیستمی است که از آن به جهت خنک سازی آبی در فرایندهای سردسازی سیستم های تهویه مطبوع، پالایشگاه ها، نیروگاه ها و غیره استفاده می گردد.

از برج خنک کن در سیستم خنک کاری ، و سایر واحدهای شیمیایی مشابه، و سیستم های برای تهویه مطبوع ساختمان استفاده می شود. دسته بندی برج های خنک کن بر اساس نوع تماس هوا با آب صورت می گیرد؛ متداول ترین گونه های برج خنک کن بر اساس مکانیسم های جابه جایی طبیعی و جابه جایی اجباری تقسیم بندی می شوند.

از نظر ابعاد و اندازه، برج خنک کننده در مدل های کوچک پشت بامی برای ساختمان های مسکونی تا سازه هایی غول پیکر و (مانند برج های خنک کن نیروگاه ها که در شکل ها نشان داده شده است) که ارتفاع شان در حدود دویست متر و قطرشان در حدود یک صد متر می رسد، وجود دارند.

همچنین نوعی از برج های خنک کن با شکل مستطیلی با ارتفاع تقریبی چهل متر و طول هشتاد متر نیز وجود دارد. در بیش تر موارد از برج های خنک کن هذلولی شکل در استفاده می شود؛ هرچند که در برخی از واحدهای شیمیایی بزرگ و سایر واحدهای صنعتی نیز از آن ها استفاده می شود. در مقابل این برج های خنک کن عظیم الجثه که در صنایع خاصی به کار گرفته می شوند، اکثریت قریب به اتفاق برج های خنک کن تجهیزات کوچک هستند که در کنار واحدهای مختلف صنعتی یا مسکونی برای به کار می رود.

برج های سیستم توزیع و پخش آبگرم دارند که آب را به صورت یکنواخت روی شبکه مشبک نزدیک به هم می پاشد. این شبکه ها آکنه یا پرکننده نامیده می شود. آکنه ها آب سرازیر شده از بالای برج را با هوایی که از میان آن حرکت می کند کاملاً مخلوط کرده به طوری که آب به صورت یک قطره از یک آکنه به سطح آکنه دیگر توسط نیروی خود می ریزد.

هرچند در این برج ها مقداری محسوس از آب به هوا وجود دارد ولی تقریباً اثر خنک کنندگی تماماً از تبخیر قسمتی از آب اسپری شونده در برج حاصل می شود. بخار حاصل از فرایند تبخیر در برج توسط جریان هوایی که یک دمنده ایجاد می کند از برج خنک کن خارج می شود. با توجه به این که دماو هوای از برج افزایش می یابد بدیهی است که میزان تاثیر برج خنک کن تا حد زیادی به درجه حرارت مرطوب هوای ورودی بستگی دارد و با کاهش آن افزایش می یابد.

برج خنک کن (با جریان هوای متقاطع)

کاربرد برج های خنک کننده به ، آغاز و اختراع برای استفاده در برمی گردد. در چگالنده ها سیال شونده غالباً آب است؛ به این صورت که آب با گرفتن گرمای بخاری که از خروجی یا به چگالنده رسیده است، بخار را به حالت مایع تبدیل می کند برای همین ایده تولید برج خنک کننده  به ذهن یک فرد روسی رسید و او این ایده را عملی کرد. وجود این مرحله در چرخه موتور بخار باعث بخار خروجی می شود، ولی در عوض مصرف بخار و در نتیجه مصرف سوخت را کاهش می دهد و هم زمان سیستم را نیز بالا می برد. البته باید در نظر داشت که چگالنده ها در عمل نیاز به برج خنک کن به نسبت بزرگی دارند و در صورت عدم وجود برج خنک کننده، استفاده از آن ها اقتصادی نیست؛ چرا که هزینه های فراهم کردن آب بیش از سرمایه ذخیره شده از صرفه جویی انرژی می شود. فارغ از موتورهای آبی که فراهم کردن آب هزینه ای برای آن ها محسوب نمی شود و استفاده از چگالنده بدون برج خنک کن امری عادی است، استفاده از چگالنده و برج خنک کن موضوعی حساس در صنعت به شمار می رود. با آغاز قوانین و روش های فراوانی در زمینه چرخه های دارای برج خنک کن برای مناطقی که با مشکل کم آبی رو به رو بودند، طرح ریزی شد و احداث برج خنک کننده را وابسته به نظر آن منطقه و کم و کیف منابع آبی آن منطقه کرد. در مناطقی که منابع آبی قادر به فراهم کردن آب برج خنک کن هستند، از سیستم حوضچه های آبی استفاده می شود و در مناطقی که محدودیت منابع دارند، مثل شهرهای بزرگ، از برج های خنک کننده استفاده می شود.

این برج ها اغلب در پشت بام ساختمان ها یا به صورت سازه ای مجزا در کنار ساختمان اصلی قرار می گیرند و هوا به کمک و مکانیسم جابه جایی اجباری یا به طریق مکانیسم جابه جایی آزاد به جو منتقل می شود. در کتاب از سال 1911 مطلبی در این زمینه به این صورت آمده است: «با استفاده از یک پوسته تخت یا دوار از ورقه نازک، لوله دودکش در راستای عمودی تا جای ممکن کوچک تعبیه شود. (ارتفاع 20 تا 40 فوت) در پشت بام مجموعه ای از تشت ها برای پخش شدن آب مورد نیاز چگالنده قرار می گیرند و آب به درون آن ها پمپ می شود. آب درون تشت ها بر روی حصیری از جنس چوب به صورت قطره ای ریخته می شود تا فضای درون برج را پر کند.»

در اوایل قرن بیستم، اولین نمونه های برج خنک کن با استفاده از کاهش دمای ناشی از تبخیر ابداع گردید. برج های خنک کننده اولیه، دارای سیستم بسیار ساده ای بودند که در آن آب از ارتفاع مشخصی به داخل برج خنک کن پاشیده می شد و به واسطه برخورد با هوا خنک می گردید.

واژه برج خنک کن (پکینگ برج خنک کننده یا کولینگ تاور) نیز به واسطه شکل هندسی اولیه این تجهیز بر روی آن گذاشته شد. در حقیقت در کولینگ تاورهای اولیه، یک سازه مرتفع به شکل برج، برای افزایش زمان برخورد هوا با آب خنک کاری طراحی می شد و به دلیل عدم وجود فن و موتور، جریان هوا در داخل برج های خنک کن به صورت طبیعی بود.

در تصویر ذیل نمونه ای از اولین برج خنک کن (کولینگ تاور) مشاهده می گردد.

با پیشرفت تکنولوژی در اواخر دهه 90 و ابتدای قرن 20 ام و به خصوص اختراع موتور احتراق داخلی و برق برای مصارف صنعتی، روند توسعه و رشد کارخانجات تسریع گردید. در این زمان مورد استفاده برج های خنک کن به خنک کاری نیروگاه ها و خطوط تولید تغییر یافت.

بهره گیری از موتورهای الکتریکی صنعتی و فن، موجب ابداع برج های خنک کن با جریان هوای اجباری (مکانیکی) گردید که دارای راندمان بیشتری بودند و در عین حال فضای کمتری اشغال می کردند.

کولینگ تاورهای اولیه پکیج، از فن سانتروفیوژ بهره می بردند و بدنه آن ها عمدتاً فلزی بود. با گذشت زمان و افزایش توانمندی های در حوزه کامپوزیت، برج های خنک کن فایبر گلاس به مرور وارد بازار شدند.

مزیت فایبر گلاس، مقاومت در برابر رسوب و و از بین رفتن معضل زنگ زدگی در بدنه برج خنک کننده بود. همچنین قطعات کامپوزیت فایبر گلاس از استحکام نسبتاً بالایی نیز برخوردار بودند. مزایای این نوع برج خنک کننده موجب گشت که استفاده از آن در واحدهای صنعتی نیز رواج یابد. با این وجود در شرایطی که دبی آب در گردش بالا بود، همچنان از برج های خنک کن Field Erected یا مونتاژ در محل استفاده می شد.

اجزاء مهم برج خنک کن ها عبارتند از:

1– فن برج خنک کننده

فن ها نقش مهمی در خنک سازی دارند و از نوع یا می باشند.

فن های مورد استفاده در برج های خنک کننده، از لحاظ فرم هندسی و نحوه تولید به صورت کلی به سه دسته اصلی تقسیم می شوند.

1- فن ضربی برج خنک کننده:

این فن ها با قطر بین 0٫5 تا 1٫2 متر در حالت کلی از ورقه فولادی ساخته شده و توسط قالب پرس تولید می گردند.

این نوع فن کولینگ تاور در صورتیکه از تولیدکنندگان معتبر خریداری شود از لحاظ قیمت و کیفیت در بازه مناسبی قرار دارد. باید در نظر داشت با توجه به جنس فن و روش تولید، این نوع فن در قطر بیش از 1 متر دچار لرزش خواهد شد و به همین دلیل دارای محدودیت ابعاد است.

2- فن پروفیل ایر فویل کولینگ تاور:

همانگونه که از نامشان پیداست این فن ها دارای پروفیل ایرفویل می باشند و در طول فن، فرم پروفیل و ابعاد هندسی آن ثابت است (به جز بخش انتهایی که در آن قسمتی از یال، بریده شده است). جنس این نوع فن برج خنک کن عمدتاً از پروفیل آلومینیوم است که با روش اکسترود و پولترود تولید می شود. دلیل استفاده از آلومینیوم در پره فن برج خنک کن، استحکام مناسب نسبت به وزن کم، دمپ کردن و مقاومت بالا در مقابل خوردگی است.

بازه ابعادی معمول فن آلومینیوم کولینگ تاور از قطر 0٫8 متر تا 3 متر می باشد. این فن ها دارای قیمت کمتری نسبت به فن های کامپوزیتی (نوع سوم فن محوری) هستند لیکن معایب خاص خود را نیز دارند.

3- فن پروفیل ایر فویل با فرم پروفیل متغیر (فن کامپوزیت برج خنک کن):

فن کامپوزیت فایبر گلاس گلاس کولینگ تاور که سابقه تولید آن از دو نوع قبلی کمتر است علاوه بر دارا بودن پروفیل ایرفویل، به دلیل چرخش پروفیل در شعاع فن و تغییر زاویه حمله، دبی یکنواخت تری نسبت به دو نوع قبلی دارد، و به همین دلیل سرعت خطی لبه این نوع فن تا 60 قابل قبول می باشد.

از مهم ترین مزایای فن فایبر گلاس پروفیل ایرفویل برج خنک کننده، می توان به مصرف انرژی و وزن کمتر آن نسبت به نمونه های دیگر، صدای تولیدی کمتر و میزان هوادهی بیشتر اشاره کرد.

2– پکینگ یا مدیا

3– حوضچه یا باسین

در قسمت زیرین برج خنک کن قرار دارد و آب خنک شده در آن جمع آوری شده و به سمت سیستم های سردسازی هدایت می شود.

4– قطره گیرها

تیغه های قطره گیر برای جلوگیری از پخش ذرات آب و ممانعت از خروج آن ها به محیط بیرون از برج خنک کن بکار می روند.