برج‌ خنک کننده به لاتین (cooling Tower) از معروف‌ترین دستگاه‌های انتقال جرم حرارت هستند. اساس کار برج خنک کننده تماس دو فاز گاز و مایع می‌باشد که این تماس در پکینگها فراهم می‌شود. بیشترین کاربرد برج خنک کن در نیروگاه‌ها و پتروشیمی و همچنین برای جدا سازی ذرات معلق در درون گاز توسط مایع می‌باشد. کاهش دمای آب در نیروگاه‌ها و دیگر صنایع ضرورت دارد. تا گرمای اضافی موجود در سیستم به نحوی دفع شود. متدوال‌ترین روش، استفاده از آب سرد برای حذف این گرما اضافی است. حرارت اضافه منتقل شده به سیال سبب بالا رفتن دمای آن می‌گردد. استفاده مجدد از این سیال نیازمند دفع گرمای جذب شده در آن است. فرآیند خنک سازی مجدد آب با هوا توسط برج خنک کننده صورت می‌گیرد تا هوا انرژی و گرمای آب را گرفته و سبب کاهش دمای مایع شود.

برای تماس هوا با آب گرم جهت زدودن  گرمای سیال از دستگاههایی تحت عنوان برج خنک کن استفاده می‌گردد. استخر پاشنده نوع ساده سیستم خنک کاری می‌باشد.  نحوه عملکرد این نوع برج بسیار ساده است که در ادامه به تشریح آن می‌پردازیم: یک استخر با پاشنده‌هایی قوی که آب را به ارتفاع چند متری از سطح استخر می افشانند. و اطراف آن به کرکره‌هایی برای جلوگیری از رانش آب به محیط خارج محدود شده است. بواسطه ساختمان و ساختار ساده هزینه ساخت نصب و نگهداری این سیستم‌ها پایین می‌باشد. در این برج خنک کننده هدر رفتن آب از طریق جریان هوا بالا است و امکان انباشتگی مواد زاید خارجی در آن زیاد می‌باشد.

انواع برج خنک کننده کدامند؟

  • برج‌های نیروگاهی با جریان طبیعی یا هذلولی شکل
  • برج‌های خنک کننده مکش مکانیکی(مدار باز ، مدار بسته)

با گسترش جوامع روزانه کاخانه‌جات عظیمی تاسیس میگردد. تمامی صنایع امروزی سامانه‌هایی از تاسیسات مکانیکی را در خود دارند. هچنین با افزایش شهر نشینی برای رفاه حال خود بشر نیاز خود را به سیستم‌های تهویه مطبوع بیش از پیش احساس می‌نماید. تمامی این سیستم‌ها به صورت اشتراکی به دستگاه خنک کننده آب نیاز دارند. به همین منظور در سالهای گذشته مهندسین این صنعت دست به اقداماتی جهت ساخت مبدلی مفید برای خنک کاری آب زده‌اند. این اختراعات باعث شده تا انواع گوناگونی از برج خنک کننده امروز پدید‌آید. البته با نگاه کلی‌تر متوجه میشویم که هر یک از این دستگاه‌ها برای کاری متفاوت ساخته شده‌اند. لیکن در فرایند آنها درست است همگی آب را خنک می‌نمایند. اما نحوه چرخش سیرکولاسیون متفاوتی از یکدیگر دارند. در این مقاله سعی داریم تا شما را با انواع مختلف برج خنک کن  بیشتر آشنا سازیم.

برج خنک کننده چیست؟

برج خنک کننده اتمسفریک (هذلولی)

در این برج‌ها آب حاوی گرما در معرض تماس مستقیم جریان هوا قرار می‌گیرد. با در تماس قرار گرفتن آب و هوا که سبب انتقال گرما از آب گرم به هوا سرد شده استآب خنک میگردد. تبخیر بخشی از سیال و در نتیجه صرف شدن گرمای مایع تامین انرژی لازم برای تبخیر. در این برج‌ها به واسطه تبخیر بخشی از آب و هدر رفتن آن لازم است که آب جبرانی به مایع در گردش اضافه شود. به همین دلیل این برج خنک کننده اتمسفریک مناسب نقاطی است که مشکل کم آبی وجود نداشته باشد. استفاده از برج خنک کن با جریان طبیعی در اروپا و در کشور آلمان شروع شد. احداث دستگاه در ابتدا با چوب بود و بعدا با چوب و فلز به ساخت آن مبادرت گردید. نوع جدید این برج با متریال بتون مسلح ساخته می‌شود. شکل فیزیکی دستگاه نیز تغییراتی را در پشت سرگذاشته است.

نخست به صورت استوانه احداث می‌گردید و بعدا به حالت دو مخروط قطع خورده روی هم بنا می‌شد.شکل جدید آن (هیپربولیک) است که به سازه استحکام خوبی می‌دهد و با جریان طبیعی هوا در عبور از پوسته برج سازگاری بهتری دارد. طرح نو این مبدل انتقال حرارت مصالح کمتری نیاز دارد چون به حجم آن کاهش یافته است. برقراری جریان هوا به فن یا دمنده نیاز ندارد چون جریان هوا در برج خنک کننده با جریان طبیعی توسط اختلاف دانسیته بین هوا بیرون و در پایین هوا سرد را به درون خود می کشد و در بالای هوا گرم را تخلیه می‌نماید. برج های با جریان طبیعی یا هذلولی شکل این نوع از برج‌ها که در برخی از نیروگاه‌ها آنها را می‌توان دید شبیه به دودکش می‌باشند قسمت دودکش مانند این سازه وظیفه مکش هوا به درون خود را بر عهده دارد.

عملکرد برج خنک کننده مدار باز

هرگاه هوایی که به داخل برج خنک کن راه پیدا می‌کند دارای رطوبت کمتری باشد و به اصطلاح خشک‌تر است. میزان کاهش دمای آب بیشتر خواهد بود. ولی اگر هوا دارای رطوبت زیادی باشد (مثلا در روزهای ابری بارانی) عملکرد برج تحت تاثیر قرار گرفته و بازده آن به شدت کاهش می‌یابد. بنابراین واضح است که این دستگاه در مناطقی با آب و هوای مرطوب نظیر شمال یا جنوب ایران کارایی ندارند. در برج خنک کننده مدار باز هر چقدر اختلاف و سطح تماس آب و هوا بیشتر باشد کارآیی برج افزایش می‌یابد. به همین دلیل و برای افزایش اختلاف و سطح تماس هوا و آب در داخل مبدل از شبکه‌هایی با جنس چوب یا پلاستیکی مناسب استفاده می‌شود. به این شبکه‌ها پکینگ یا پرکن می‌گویند.

برج بتنی نیروگاه مشهد

۱-استخرهای پاشنده(سازه ارزان)

این نوع از برج خنک کن بسیار ساده می‌باشد و عبارت است از یک استخر با پاشنده‌هایی که آب را به ارتفاع چند متری از سطح استخر می افشانند. اطراف آن با کرکره‌هایی برای جلوگیری از رانش آب به محیط خارج محدود شده است. به واسطه ساختمان و ساختار ساده هزینه ساخت , نصب و نگهداری این سیستم‌ها پایین می‌باشد. در این برج‌ها هدر رفتن آب از طریق جریان هوا بالا می باشد و امکان انباشتگی مواد زاید خارجی در آن زیاد است.

۲-برج خنک کننده جریان متقاطع (cross_flow)

جریان عرضی (cross_flow) : مسیر جریان هوا به صورت افقی و آب به صورت عمودی به پائین پاشیده می‌شود. در این دسته از برج خنک کننده مدار باز هوا بواسطه وزش باد از درون برج عبور نموده و با آب گرم در تماس قرار می‌گیرد. تماس بین دو سیال می‌تواند به صورت متقاطع یا موازی صورت گیرد. این نوع از برج‌ها به دو شکل می‌سازند. در یک نوع فاقد هر نوع پرکن می‌باشد و تنها نازل‌های پاشنده آّب در بالای آن نصب شده‌اند. جریان هوا به صورت متقاطع با آبی که در جهت عمودی فرو  می‌ریزد برخورد می‌نماید. اتلاف مایع توسط جریان هوا از معایب آن است. در نوع دیگری از این برج خنک کن. داخل دستگاه را برای افزایش سطح تماس آب و هوا با استفاده از بلوک‌های پکینگ کولینگ تاور تجهیز می‌نمایند.

 برج خنک کننده مکانیکی چیست؟

در برج‌هایی که تاکنون معرفی شد از دمنده یا پروانه مکنده برای هدایت جریان هوا به داخل دستگاه استفاده نمی‌شود. جریان هوا به طور طبیعی به درون راه می‌یافت. لیکن در دسته دیگر از برج خنک کننده از فن‌های قوی به عنوان دمنده و مکنده جریان هوا استفاده می‌شود. این دسته از برج‌ها را (مکانیکی) می‌نامند و نیاز به فضای کمی دارند. به دلیل ارتفاع کم برای هدایت آب نازل‌های پاشنده نیاز به پمپ قوی نمی‌باشد. داخل این مدل سیال مایع توسط سطوحی به نام پکینگ خنک کاری می‌شود. عیب برج خنک کن مکانیکی، سروصدای ناشی از عملکرد فن‌ها و نیز بالا بودن قیمت راه اندازی و نگهداری آن‌ها می‌باشد. مبدل با مکش اجباری را با دو متریال میسازند. ابتدا با فلز و گالوانیزه طراحی و ساخته شده اما در اما با رشد دانش مهندسی ماده‌ای به نام فایبرگلاس جایگزین خوبی شده است.

برج‌های مکانیکی مکنده (اکسیال محوری)

آرایش جریان مخالف (counter_flow): مسیر جریان آب وهوا به صورت همراستا و جریان هوا به بالا و مایع به پایین هدایت می‌شوند. در این نوع از برج‌ خنک کننده در بالای دستگاه فنی معین قرار داده می‌شود این فن هوا را از مجاری تعبیه شده (لوورها) در پایین برج به داخل آن کشیده و در تماس با آب قرار می‌دهد. در این واکنش سیال مایع در پکینگ ها خنک کاری شده و به تشتک میریزد. در این حال هوایی که گرمای سیال آب را به خود جذب نموده است. از قسمت دهانه مبدل به بیرون محیط باز هدایت میگردد. سیرکولاسیون منظمی در ساختار عملکردی جریان مخالف برقرار میباشد. عموما  برج خنک کن با دو جنس بدنه اصلی تولید میشود که فایبرگلاس کیفیت بهتری در مقایسه با دیگر متریال (فلزی) دارد. مهمترین آن عدم رسوب و ضد زنگ زدگی بدنه است.

برج‌های کانتر فلو در دو نوع مکعبی و مخروطی ساخته و تولید میشود. بدنه سفید رنگ آنها باعث شده است تا هرکس حداقل یک بار این مبدلهای حرارتی را در بام‌های مترفع یا کارخانه‌جات صنعتی دیده باشد.البته تفاوت در طراحی سازه و نوع مهندسی کار آنها بی علت نبوده و مهندسان کاربرد دستکاه را برای مصارف معین تعریف کرده‌اند. لازم است قبل از خرید و اقدام برای نصب برج خنک کننده مخروطی نکاتی را در این باره مطالعه نمایید. و در این سایت مقالاتی دیگر را به صورت تخصصی برای هر یک از انواع این دستگاه مکتوب نموده‌ایم. با مراجعه به صفحات مربوطه میتوانید اطلاعات جامع‌تری در خصوص هر کدام به دست بیاورید.

برج‌های مکانیکی دمنده (سانتریفیوژ)

در این دسته از برج‌های مکانیکی فن در قسمت پایین دستگاه قرار داده شده است. پروانه سانتریفیوژ با گردش خود هوای تازه به داخل میدمد و باعث خنک شدن آب دستگاه میگردد. با عین حال فناوری برج خنک کننده گالوانیزه مقداری قدیمی شده است و کمتر مورد استقبال قرار میگیرد. اما با این حال نمیتوان منکر کارایی عالی دستگاه در فصول گرم مانند تابستان شد. این مدل را در دو مدار بسته و باز تولید میکنند. این دستگاه در مقایسه با هذلولی به مصالح کمتر و ارزانتری نیاز دارد. برج مکانیکی به احداث دودکش نیاز ندارد و همین آیتم ساخت این دستگاه را ۳۰ تا ۵۰ درصد کاهش میدهد. مصرف برق متعادل و کاهش هزینه‌های جاری مانند: تعمیر و نگهداری ارزان از دیگر مزیت‌های برج خنک کن گالوانیزه است.

برج خنک کننده مداربسته

۲-۱ برج‌های خنک کننده مدار بسته(هیبریدی)

برج خنک کننده مدار بسته مناسب مناطق کم آب و کویری است. تبخیر مایع  و هدر رفتن آن با جریان هوا صورت نمی‌گیرد. نحوه عمل این دستگاه به گونه‌ای است که آب گرم وارد مجموعه بزرگ از لوله‌هایی می‌شود که سطح خارجی آن‌ها دارای پره‌های (فین) فراوان می‌باشد. هوای محیط توسط فن‌های قوی از میان کویل‌های پره دار عبور داده می‌شود. تا به این وسیله گرمای آب را از طریق دیواره لوله‌ها جذب نموده و دمای سیال مایع را کاهش می‌دهد. این برج خنک کننده هیبریدی دارای بازده کمتری نسبت به نوع مدار باز می‌باشند. علیرغم این عیب به دلایل زیر استفاده از این نوع برج‌ها در صنعت متداول است. عموم مصرف کنندگان مبدل مدار بسته کارخانه‌جات فولاد،پتروشیمی و شرکتهای نفتی همچنین مکانهایی که دچار کموبد آب بالایی هستند میباشد.

  1.  نحوه خنک کاری سیال  آبی تبخیر نشده در نتیجه نیاز به آب جبرانی نمی‌باشد. به همین دلیل استفاده از آنها در مناطق کم آب و کویری به صرفه تر است.
  2. آب در سیرکولاسیون خنک شدن چرخشی بسته (سیکل بسته) را طی می‌کند که این مسئله سبب می‌شود از نظر زیست محیطی ایجاد آلودگی ننماید.
  3. استفاده از این برج‌ها در مناطق سردسیر با مشکلات عملیاتی کمتری نسبت به انواع مدار باز کانتر فلو رو به رو است.
  4. عدم رسوب گیری در مناطقی که دارای سختی آب بالا هستند.
  5. عملکرد دو مداره هواخنک و آب خنک که باعث افزایش تبرید در برج خنک کننده مداربسته می‌شود.

قطعات برج خنک کننده چیست؟

قطعات در واقع مکمل و تعیین کننده ساختار تکمیلی یک دستگاه هستند. ایت تجهیزات به صورت کلی سازنده اصلی میباشند. تجمیع و درکنار هم قرار دادن آنها با نقشه مهندسی از پیش طراحی شده کمک میکند تا مبدل ساخته شده توسط مهندسین با بهترین فرم خود کار نماید. میتوان اینگونه عنوان نمود که هر دستگاهی که ساخته میشود متشکل از چندین قطعه ریز و درشت است. در نهایت این قطعات هستند که برج خنک کن را میسازند و در کیفیت آن تاثیر مستقیم میگذارند. دقت در انتخاب هر یک از بخش‌های برج برای نصب یک تجهیز دارای اهمیت بالایی است. زیرا به عنوان مثال انتخاب پکینگ مناسب ۴۰ درصد از فرایند خنک کاری را در برج‌های مدار باز افزایش یا کاهش میدهد. در ادامه برای آشنایی بیشتر شما کاربران گرامی هر یک از این ملزومات را به صورت کامل تشریح نموده‌ایم.

تولید پکینگ کولینگ تاور

انواع مدل‌های پکینگ برج خنک کننده

پکینگ یا آکنه (fill) : موانعی که در برج خنک کننده جهت فراهم آوردن سطح بیشتر تماس آب با هوا برای انتقال گرما تعبیه می‌شوند. این آکنه‌ها معمولا ا از جنس پلاستیک هستند. پرمصرف‌ترین انواع پکینگ در برج همین مدل فیلمی میباشد. در واقع تا کنون بهترین اخلاف دمایی را در فرایند خنک کاری توانسته به دستگاه بدهد. به همین منظور مادامی که دستگاه درجه آبگرم آن از ۶۰ عبور نکند بهترین گزنیه برای ایجاد تبرید مناسب در برج خنک کن است.

پکینگ فیلمی شیار مایل (cross_flutes) : آکنه‌هایی که برای افزایش بازدهی به صورت مایل ساخته می شوند. این نوع در انواع برج‌های کراس فلو مورد استفاده است. در دو طرف آن قطره برگردانی طراحی شده تا از خروجی قطرات بی رویه آب جلوگیری نماید. معمولا متریال مصرفی در ساخت و تولید این قطعات برج خنک کننده pvc می‌باشد.

آکنه‌های فیلمی شیار عمودی غیر همراستا (offset_vertical flutes) آکنه هایی که هم به صورت مایل و هم به صورت صاف ساخته میشوند . این آکنهها دارای بازده بالا ولی افت فشار بالا هستند

آکنه هایی با سطح مقطع غیر یکنواخت (Diffrent in cross sectin packing) آکنه‌ای برای زمانی که آلودگی آب کم است و سختی بالایی ندارد.

آب جبرانی( make_up) برج خنک کن

تمامی سیستم‌های مدار باز در هر ساعت مقداری از سیال خود را تبخیر یا خشک می‌نمایند. این پرت آب میزان دبی آب در گردش را میکاهد و باعث نقص در سامانه میشود. مهندسان برای رفع این اشکال ورودی کوچکی در کنار تشتک برج خنک کننده طراحی نموده‌اند. وظیفه آن افزایش سطح آب به هنگام نیاز است که به این عمل آب جبرانی گفته میشود. البته بسته به نیاز دستگاه و ابعاد، سایز ورودی فلنچ جبرانی متغیر است.

اتصال کوپلینگ( flexible coupling )

قدرت موتور فن برج خنک کن را به جعبه دنده انتقال می‌دهد. در واقع عملیات چرخش پروانه توسط و به کمک این میل شفت یا کوپلینگ صورت میگیرد. البته در این روش سه مدل مهندسی در انواع برج مورد استقبال قرارگرفته است. بسته به ظرفیت دستگاه و اندازه پروانه برج خنک کننده نحوه انتقال قدرت نیز تغییر میکند. این سه روش شامل:

کوپل مستقیم: یا به اصلاح دایرکت درایو است که به وسیله شفت موتور به فن متصل میشود. در این مهندسی باید دور موتور کاهش یابد و تعداد پره افزایش تا تناسب میزان هواسازی و جابه جایی سیال حفظ گردد.

گریبکسی: سیستم های انتقال دهنده با جعبه دنده را با این نام میشناسند. برج خنک کننده در ظرفیت‌های بالا نیازمند سامانه مکانیکی قوی‌تری است.برای دستیابی به این قدرت از کریبگس مکانیکی دنده‌ای استفاده میشود که توان بالایی دارد.

تسمه پولی: در اصلاح مهندسی به این وسیله کاهنده دور یا کاهش دور نیز گفته میشود. دینام دستگاه با روش تسمه‌ای فن را به گردش در می‌آورد و پروانه میچرخد. عموم متریال آن گالوانیزه است و برای مقاوم سازی سطح بیرونی قطعه آبکاری گرم میگردد.

آنتالپی(Enthalpy) در برج خنک کننده چیست؟

کل انرژی گرمایی ماده شامل گرمای محسوس و دمای نهان در درجه مشخص و برمبنای دمایی از پیش تعریف شده آنتالپی یا برخی اوقات گرمای کل یا محتوای گرمایی خوانده می‌شود. آنتالپی برج خنک کننده بر حسب گرما بر واحد وزن برای مواد جامد و مایع (Btu/I b) یا (k J/kg) و بر حجم برای گازها با (Btu/ft) یا (K J/m) سنجیده می‌شود. به عنوان مثال آب در دمای صفر درجه سلسیوس یا ۳۲ F فارنهایت صفر محسوب می‌گردد. مقدار گرمای لازم برای افزایش یک درجه دمای واحد جرم آن ۱ واحد انرژی گرمایی در نظر گرفته می‌شود. مجموع گرمای محسوس هوا و بخار آب به اضافه گرمای نهان تبخیر مایع را در واقع آنتالپی در برج خنک کن می نامند. برای محاسبات و طراحی یک دستگاه مناسب با میزان تبرید متعادل محاسبه این بخش ضروری است.