برج خنک کننده چیست؟

برج خنک کننده یک تاسیسات صنعتی است که برای خنک کردن آب در گردش طراحی شده است که برای حذف گرما از تجهیزات فرآیند در سیستم های تامین آب در گردش استفاده می شود. برج های خنک کننده کارآمدترین دستگاه های خنک کننده در صنعت امروزی هستند. برج خنک کننده در شرکت های صنعتی، نیروگاه های هسته ای و نیروگاه های حرارتی برای حذف گرما از تجهیزات فرآیند و افزایش بازده تولید استفاده می شوند.

طبقه بندی برج های خنک کننده بر اساس نوع

عملکرد هر برج خنک کننده صنعتی مبتنی بر خنک سازی حجم معینی از مایع توسط هوای جوی است. عدم وجود ماده مبردی غیر از هوا است که یک برج خنک کننده را از یک تهویه مطبوع، یخچال یا چیلر متمایز می کند.

مهندسی حرارت مدرن دو نوع اصلی از برج های خنک کننده را با توجه به اصل عملکرد متمایز می کند:

• تبخیری - باز
• خشک - بسته

یک برج خنک کننده تبخیری نوع باز با پاشیدن آب داغ و مخلوط کردن آن با هوای سردتر بیرون کار می کند. در این حالت بخشی از آب به بخار تبدیل می شود و همراه با هوای گرم شده بیرون به اتمسفر رها می شود و آب باقیمانده خنک می شود.

در همان زمان، یک وابستگی تجربی مشاهده می شود: 1٪ از مایع تبخیر شده، 99٪ باقیمانده را با 5.7 درجه سانتیگراد خنک می کند. به طور متوسط، برج های خنک کننده باز حدود 2٪ از آب ورودی را تبخیر می کنند.

با توجه به روش تامین هوا، برج های خنک کننده از نوع تبخیری عبارتند از:

• جریان متقاطع
• جریان متقابل
• پاشیدن
• بیرون ریختن

برج خنک کننده  خشک یا همان طور که به آن برج خنک کننده  خشک می گویند، آب را مانند رادیاتور ماشین خنک می کند: آب تحت فشار در یک مبدل حرارتی مسی جریان دارد که توسط یک جریان هوای قدرتمند دمیده می شود. در برج های خنک کننده بسته، خنک سازی تنها از طریق انتقال حرارت صورت می گیرد.

برج های خنک کننده فن دار

خنک شدن آب در برج خنک کننده فن بسته به نوع آن در اثر انتقال حرارت به هوا و در اثر تبخیر اتفاق می افتد.

دستگاه و اصل کار برج خنک کننده فن بسیار ساده است. آب گرم شده به دستگاه توزیع آب که سیستمی از خطوط لوله با نازل های اسپری است، عرضه می شود. آب با عبور از فشار یا گرانش به قطرات کوچک به اندازه 2-3 میلی متر می شکند و در کل حجم برج خنک کننده پخش می شود و سپس وارد دستگاه آبیاری می شود که دارای سطح توسعه یافته بزرگی است. هنگامی که آب از آبپاش عبور می کند، جریان ها مجدداً توزیع شده و مخلوط می شوند (توربولیزه می شوند) که منجر به افزایش اثر خنک کننده می شود.

در عین حال، به سمت حرکت آب، جریانی از هوا از طریق پنجره های ورودی هوا تامین می شود. پس از آن، مخلوط بخار و هوای گرم شده در جو آزاد می شود. گردش هوا بسته به نوع برج خنک کننده توسط بادکش طبیعی در برج های خنک کننده برج و یا توسط فن در برج های خنک کننده فن انجام می شود. فن ها می توانند در پایین برج خنک کننده (فن های فشاری) یا در بالا (اگزوز فن ها) قرار گیرند.

علاوه بر این، آب سرد جمع آوری شده و در مخزن جمع آوری آب جمع می شود و به تجهیزات تغذیه می شود. مخزن جمع آوری آب بسته به اندازه برج خنک کننده می تواند یک حوضچه بتنی که پایه برج خنک کننده نیز می باشد و یا یک پالت نسبتا کوچک باشد. این طراحی کلی یک برج خنک کننده، صرف نظر از نوع آن است. با توجه به نوع اسپرینکلر، انواع برج خنک کننده فن دار زیر متمایز می شود:

•  فیلم
•  چکه کردن
•  فیلم قطره ای

برج های خنک کننده ضد جریان

آنها به 2 گروه بزرگ تقسیم می شوند: برج و فن. تفاوت در نحوه ایجاد جریان هوا است: طبیعی یا اجباری.

از نظر ساختاری، در هر دو نوع، آب گرم از طریق نازل ها روی آبپاش پاشیده می شود. از بلوک های آبپاش عبور می کند، روی سطح آنها پخش می شود و با هوای خیابان مخلوط می شود. سپس خنک می شود و به داخل استخر می ریزد تا مایع را جمع کند.

برج های خنک کننده برج

برج خنک کننده برج یک لوله بتن مسلح یا فلزی مخروطی است که در داخل آن سیستم آبرسانی، آبپاش و مخزن وجود دارد. جریان هوای بیرون از طریق ورودی‌های پایین لوله از طریق پرکننده با ایجاد کشش طبیعی در لوله بالا می‌رود.

این نوع برج خنک کننده صنعتی به دلیل مقدار زیاد آب خنک شده با اختلاف دمایی کم (5 تا 10 درجه سانتیگراد) قدرت حرارتی زیادی را ارائه می  دهد.  اساساً برج ها برج های خنک کننده برای نیروگاه های حرارتی یا نیروگاه های هسته ای هستند.

بسته به این که قاب از چه چیزی ساخته شده است، برج های خنک کننده برج به صورت بتن مسلح یا قاب مشترک هستند. اولی دارای بدنه یکپارچه است، در حالی که دومی از سازه های فلزی پیش ساخته ساخته شده است که با ورقه های موجدار پلاستیکی، آلومینیومی یا فلزی روکش شده است.

از مزایای برج های خنک کننده می توان به عدم مصرف برق اشاره کرد، اما هزینه های سرمایه ای هنگفت برای ساخت و ساز و مساحت بزرگ اشغال شده از معایب بزرگ در انتخاب این برج های خنک کننده است.

برج های خنک کننده با جریان متقاطع

در یک برج خنک کننده با جریان متقاطع، آب از کلکتور به یک مخزن مخصوص - توزیع کننده سینی وارد می شود. از آنجا، در حال حاضر بدون فشار، توسط گرانش، از یک لایه باریک از یک طرح خاص که حاوی یک تله آب است، جریان می یابد و کور می شود. تبادل گرما و تبخیر (تبادل جرم) به دلیل حجم زیاد هوای تامین شده توسط فن اتفاق می افتد.

در چنین برج های خنک کننده، هوا در لایه پر کننده به صورت افقی عمود بر آب در حال سقوط از بالا به پایین حرکت می کند. از این رو نام: برج خنک کننده با جریان متقاطع. ورودی هوا می تواند از یک یا دو طرف باشد که به ترتیب سیستم یک یا دو جریان بدست می آید.

ویژگی های برج های خنک کننده جریان متقاطع:

استفاده از برج های خنک کننده جریان متقاطع در زمستان بسیار مشکل است. در یک سیستم توزیع آب بدون فشار، آب پس‌آب وجود ندارد، کشش آیرودینامیکی آبپاش 30٪ بیشتر است. به همین دلیل است که چنین برج های خنک کننده عمدتاً در کشورهای دارای آب و هوای گرم استفاده می شود: امارات متحده عربی، ایران، هند، پاکستان.
تله آب با پرده ها ترکیب می شود و عملکرد دوگانه ای را انجام می دهد: از حباب شدن و پاشیدن قطرات آب جلوگیری می کند.
از آنجایی که یک ناحیه با آبیاری ضعیف در قسمت پایینی آبپاش تشکیل شده است، توصیه می شود که کل لایه آبپاش را مایل کنید تا لایه پایینی به مرکز منتقل شود و یخ زدگی کاهش یابد.

برج های خنک کننده هیبریدی

برج های خنک کننده هیبریدی از نظر فنی ساختارهای پیچیده ای هستند که دو فرآیند خنک کننده متفاوت را با هم ترکیب می کنند. اولی که در خنک کننده های خشک استفاده می شود و فرآیند دوم که در برج های خنک کننده تبخیری استفاده می شود.

انتقال حرارت پدیده ای است که انرژی حرارتی را به گرمترین جسم از داغترین جسم در هنگام تماس یا از طریق محیطی که بدن را تقسیم می کند، مثلاً پارتیشنی از مواد مختلف، منتقل می کند. اگر بدنه های یک سیستم در دماهای متفاوتی باشند، انتقال انرژی حرارتی رخ می دهد، یعنی انتقال حرارت. این در واقع نتیجه قانون دوم ترمودینامیک در نظر گرفته می شود.
تبخیر پدیده تبدیل یک ماده (انتقال فاز) از اجسام جامد و مایع به حالت بخار یا گاز مربوطه است که در سطح ماده رخ می دهد. در طول تبخیر، مولکول ها از سطح بدن خارج می شوند اگر انرژی جنبشی و سرعت آنها برای غلبه بر نیروهای جاذبه سایر مولکول های همسایه کافی باشد.
اصل کار برج خنک کننده هیبریدی این است که خنک کننده وارد مبدل های حرارتی می شود، توسط هوا خنک می شود و جریان آب از بالا توسط نازل ها تامین می شود. در دمای پایین بیرون، فقط خنک کننده خشک (انتقال گرما) استفاده می شود. هنگامی که دما افزایش می یابد، آبیاری اضافی فعال می شود. مایع آبیاری دقیقاً به همان اندازه که تبخیر می شود تأمین می شود. تمامی پارامترهای برج خنک کننده توسط سیستم کنترل اتوماتیک کنترل می شود. برای به حرکت درآوردن پروانه های فن ها از موتورهای الکتریکی مجهز به مبدل فرکانس برای صرفه جویی در مصرف انرژی استفاده می شود. طرح های برج خنک کننده هیبریدی در جایی استفاده می شود که از آب تمیز استفاده می شود که باعث خوردگی فلز نمی شود.

برج های خنک کننده هیبریدی نسبت به برج های خنک کننده خشک برتری دارند، اما از نظر ظرفیت خنک کننده و شاخص های فنی و اقتصادی نسبت به برج های خنک کننده تبخیری پایین تر هستند. آنها تجهیزات تبادل حرارتی ارزان تری دارند و ظرفیت خنک کنندگی آنها کمتر به تغییرات دمای هوا بستگی دارد.

از مزایای آن می توان به تلفات کم آب در مقایسه با برج های خنک کننده تبخیری و همچنین توانایی کار بدون مشعل بخار قابل مشاهده اشاره کرد.

برج خنک کننده صنعتی

برج های خنک کننده آب صنعتی را می توان به عنوان باز یا مرطوب طبقه بندی کرد (به دلیل تماس مستقیم هوا و آب خنک کننده را فراهم می کند.)

بسته به روش اختلاط، انواع برج های خنک کننده تبخیری (مرطوب) زیر متمایز می شوند:

• آبیاری (بسته بندی): جریان متقاطع و ضد جریان. دستگاه ها تماس هوای عرضه شده با آب سرد شده را روی سطح توسعه یافته لایه آبیاری (نازل) انجام می دهند. اگر جهت حرکت جریان آب و هوا موازی (برعکس) باشد، برج خنک کننده متعلق به نوع جریان مخالف است. اگر جریان هوا عمود بر جریان آب حرکت کند، برج خنک کننده از نوع جریان متقاطع خواهد بود.
  برج خنک کننده اسپری: آنها با پاشیدن آب و جدا کردن آن به قطرات کوچک عمل می کنند. تبادل حرارت آنها در سطح قطرات صورت می گیرد.
• برج های خنک کننده اسپری یا استخرهای اسپری با برج های خنک کننده آبیاری به دلیل فشاری که فرآیند پاشش در آن انجام می شود متفاوت هستند.

در برج های خنک کننده جهشی، آب توسط نازل های مخصوص با فشار 0.3-0.4 مگاپاسکال پاشیده می شود. مشعل ریز پراکنده حاصل با ذرات 0.2 میلی متری با سرعت بالا در حد 16-20 متر بر ثانیه حرکت می کند. به دلیل چنین حرکتی، جریان قطره ها به شدت هوای اتمسفر را همراه با آن در حین اختلاط به داخل می برد ( خارج می کند).

برج خنک کننده خروجی (جهشی)

برج خنک کننده جهشی یک مورد فولادی است که در آن یک خط لوله فشار قوی با نازل (اجکتور) با طراحی خاص قرار داده شده است. هنگامی که آب تحت فشار از طریق اجکتور پاشیده می شود، هوای بیرون به منطقه نادری مکیده می شود. هوا با آب مخلوط می شود و آن را خنک می کند.

مزایای اصلی این نوع عدم وجود محدودیت کامل در دمای آب سرد شده است. در سیستم های آبیاری معمولا بیش از 60+  0.  آب سرد نمی شود، زیرا پلیمری که آبپاش از آن ساخته شده پلاستیکی می شود و می تواند از بین برود. اما تعدادی از معایب وجود دارد که محدودیت های شدیدی را برای توزیع این نوع برج های خنک کننده ایجاد می کند.

اولاً نیاز به ایجاد فشار در اجکتور است. عدم وجود فن برج خنک کننده با افزایش قدرت پمپ ها بیش از حد جبران می شود. به عنوان مثال، برای حجم نسبی آب خنک کننده، قدرت واحد فن 75 کیلو وات است و قدرت پمپ در هنگام تخلیه در حال حاضر 160 کیلو وات است. علاوه بر این، عمر سرویس خطوط لوله سیستم کاهش می یابد.

ثانیا، گردش خون در زمستان غیرممکن است، زیرا یک تعلیق آب خوب فوراً یخ می‌زند. سازماندهی آبگیری ضروری است.

ثالثاً، حباب قطرات در چنین برج های خنک کننده 1.5-2 برابر بیشتر است و استفاده از تله آب مقاومت اضافی ایجاد می کند و خنک کننده آب را بدتر می کند.

استفاده از برج های خنک کننده جهشی در دمای آب بالای 60 درجه سانتیگراد و یا در جریان کم آب مفید  است.

برج خنک کننده خشک

برج خنک کننده تابشی (خشک) در اصل برای خنک کردن کندانسور نیروگاه ها استفاده می شد. این محفظه ای است که یک مبدل حرارتی (رادیاتور) در داخل آن قرار داده شده است که مایع خنک کننده از طریق آن به گردش در می آید و یک یا چند فن هوای بیرون را در اطراف رادیاتور می دمد.

یک هیت سینک با لوله پره دار، معمولاً مسی یا آلومینیومی، تعیین می کند که خنک کننده های خشک چقدر آب را خنک کنند.

استفاده از هیت سینک مسی مرغوب با کانال های نازک باعث می شود که هزینه برج خنک کننده  خشک بسیار بالا باشد. با کاهش هزینه راه حل، باید کارایی را قربانی کرد. قطر بهینه لوله ها 15 میلی متر و ضخامت دنده های پراکنده 0.3 میلی متر است.

استفاده از برج های خنک کننده خشک زمانی منطقی است که این فناوری نیاز به جداسازی حلقه گردش خون از محیط خارجی داشته باشد یا زمانی که امکان سازماندهی آرایش در مقادیر لازم وجود ندارد. سپس استفاده از مدار درای برج خنک کننده  با مخلوط اتیلن گلیکول عملا تنها راه حل است. انتخاب دیگری به نفع برج خنک کننده خشک زمانی مناسب است که دمای مایع خنک کننده یا آب در حال گردش در آستانه جوشیدن باشد. مثلاً در چرخه های نیروگاه های هسته ای یا پالایشگاه ها.

در موارد دیگر، استفاده از برج خنک کننده صنعتی فن دار ارزان تر و موجه تر خواهد بود، زیرا مصرف هوای یک فن برج خنک کننده باز 5 برابر کمتر از یک فن بسته است. قدرت فن برای برج های خنک کننده باز به نسبت کمتر است.

مزایا و معایب انواع برج خنک کننده:

برج خنک کننده فن

مزایا:

·         انعطاف پذیری طراحی

·         بدون یخبندان

·         بهره وری انرژی

·         سهولت تعمیر

·         طیف گسترده ای از قطعات یدکی

معایب:

·         پرسنل آموزش دیده برای تعمیر و نگهداری مورد نیاز است

·         اقدامات اضافی مورد نیاز در زمستان

·         احتمال آلودگی آب بازیافتی

برج های خنک کننده برج

مزایا:

·         بدون مصرف انرژی در حین کار

·         برای دبی بالا طراحی شده است

معایب

·         عمق خنک کننده کم

·         ساخت و ساز گران قیمت

·         نیاز به تمهیدات خاصی برای فصل زمستان دارد

·         ساخت و ساز و تعمیر مجتمع

برج های خنک کننده با جریان متقاطع

مزایا:

·         نیاز به فشار کمتری در سیستم توزیع آب دارند

·         فضای کمتری را اشغال می کنند، زیرا می توان آنها را "در ارتفاع" برنامه ریزی کرد

معایب:

·         آبپاش با کارایی 30 درصد کمتر

·         هزینه بزرگ

·         کل در تعمیرات، زیرا قطعات یدکی در روسیه تولید نمی شود

·         یخبندان در زمستان

برج خنک کننده جهشی

مزایا:

·         قابلیت خنک کردن آب از دمای بالا

·         بدون نیاز به تعمیر و نگهداری فن

·         بدون قطعات متحرک مکانیکی

معایب

·         هزینه های انرژی بالا برای ایجاد افزایش فشار آب

·         حباب قطرات بالا

·         سختی در زمستان

برج خنک کننده های خشک

مزایا:

·         مدار بسته، بدون ناخالصی در آب

·         توانایی کار بر روی آب جوش

·         امکان کار بر روی اتیلن گلیکول

·         بدون حباب قطرات

معایب

·         راندمان خنک کننده پایین

·         طراحی و مواد گران قیمت

·         نیاز به نگهداری و تمیز کردن مبدل حرارتی