برج های خنک کننده

برج های خنک کن یا کولینگ تاور دراصل وسائل خنک کردن آب می باشند و وسیله ای می باشد که گرمای تولید شده توسط کندانسور رابه محیط ازاد منتقل می کند . اب گرم خروجی از کندانسور به بالای خنک کن پمپ می شود . و ار انجا به تشتک برج میریزد. آب گرم شده برای خنک شدن به برج خنک کن باز می گردد . آب در برج به گردش در می آید واز بالای برج به طرف پایین ریخته میشود .این آب در حین سقوط از درون پوشش های داخلی برج باهوا برخورد کرده وگرمای خود رابه هوا می دهد.

وسیله ای برای دفع حرارت زاید آب مورد استفاده درچگالنده به جو ازطریق تبادل حرارتی باهوااست .برج های خنک کننده معمولا باتبخیر اب حرارت ایجادشده دریک واحد شیمیایی را دفع کرده وسیال سرویس راتادمای حباب مرطوب هوا پایین می اورند.البته باید در نطر داشت در برخی از برج های خنک کن با چرخه بسته مه به برج خنک کن با چرخه بسته مه به برج خنک کند مشهور هستند ، کاهش دمای سیال سرویس صرفا تادمایی نزدیک به دمای حباب خشک هوا امکان پذیراست . به عبارت ساده تر برج خنک کننده سیستمی است که از اول به جهت خنک سازی آبی درفرآیندهای سردسازی سیستم های تهویه مطبوع پالایشگاه ها نیروگاه ها و … استفاده میگردد.از برج خنک کننده در شسیستم خنک کاری واحدهای پالایشگاهی پتروشیمیایی و سایر واحدهای شیمیایی مشابه نیروگاههای حرارتی و سیستم های اچذ وی ای سی برای تهویه متبوع ساختمان استفاده میشود.دسته بندی برج های خنک کننده بر اساس نوع تماس هوا با آب صورت میگیرد .متداولترین گونه های برج خنک کن بر اساس مکانیزم های جابه جایی طبیعی و جابه جایی اجباری تقسیم بندی میشوند. از نطر ابعاد و اندازه برج های خنک کن در مدل های کوچک پشتبانی برای ساختمانهای مسکونی تا سازه های غول پیکر و هزلولی شکل که ارتفاعشان در حدود دویست متر و قطرشان در حدود صد متر میرسد وجود دارند.همچنین نوعی از برج خنک کننده با شکل مستطیلی با ارتفاع تقریبی چهل متر و طول هشتادمتر نیز وجود دارد. برج های خنک کننده سیستم توزیع وپخش آبگرم دارند که آب رابه صورت یکنواخت روی شبکه مشبک نزدیک به هم می پاشد .این شبکه ها اکنه یا پرکننده نامیده می شود . آکنه ها آب سرازیر شده از بالای برج را باهوایی که از میان آن حرکت میکند کاملا مخلوط کرده به طوری که آب بصورت یک قطره از یک اکنه دیگر توسط نیروی ثقل خود می ریزد. هرچنددراین برج ها مقداری انتقال حرارت محسوس از آب به هوا وجوددارد . ولی تقریبا اثر خنک کنندگی تماما از تبخیر قسمتی از آب اسپری شونده دربرج حاصل می شود . بخار حاصل از فرآیند تبخیردربرج توسط جریان هوایی که یک دمندهایجاد میکند از برج خنک کن خارج می شود .باتوجه به اینکه دما و رطوبت های ازبرج افزایش می یابد .بدیهی است که میزان تاثیر برج خنک کن تا حد زیادی به درجه حرارت مربوط هوای ورودی بستگی دارد وباکاهش آن افزایش می یابد وعوامل دیگری که عملکرد برج های خنک کن را تحت تاثیر قرار می دهند عبارت اند از :

سطح و زمان تماس آب و هوا
سرعت هوای عبوری از برج
جهت جریان هوا نسبت به سطح تماس آب ( هم سو و غیر هم سو)

از نظر تئوری پایین ترین دمای قابل حصول برای آب در برج خنک کن دمای مرطوب هوای ورودی می باشد که در آن شرایط هوای خروجیاز بخار آب اشباع خواهد بود ولی اغلب دمای آب خروجی از برج ۴ تا ۵/۵ درجه سانتی گراد بیشتر از دمای مرطوب هوای ورودی می باشد. بنابراین هوای خروجی از برج همواره مقداری از حالت اشباع پایین تر خواهد بود.

نزدیکی approach : با اختلاف بین درجه حرارت آب خروجی از برج و دمای مرطوب هوای وردی به برج می باشد. هرقدر نزدیکی را بخواهیم کمتر کنیم ( دمای آب خروجی از برج را به دمای تر محیط نزدیکتر کنیم ) باید برج خنک کن بزرگتر و یا پر کننده های بیشتری را انتخاب کنیم. در عمل می توان به نزدیکی حدود ۵ درجه فارنهایت رسید ولی اکثر اوقات ، نزدیکی را برای موارد متعارف حدود ۷ درجه فارنهایت انتخاب می کنند.

دامنه range : درجه حرارت آب در عبور از برج یعنی اختلاف بین درجات حرارت ورودی و خروجی آب دامنه برج نامیده می شود.

محاسبه بار برج : بار یک برج خنک کن را می توان با اندازه گیری دبی آب برج و دمای آب و خروجی برج بدست آورد.

بدنه و پوسته casing – frame : اغلب برج ها در ساختار خود بدنه ای دارند که آنها را محافظت می کند و موتورها ، فن ها و دیگر اجزا را پوشش می دهد.

واسطه های انتقال حرارت Fill: درون هر کولینگ تاور واسطه انتقال حرارت وجود دارد که لاپرکن با آکنه نامیده میشود. مظیفه این قطعات فقط این است که قطرات آب را به ذرات ریز تر تبدیل کنند و سطح انتقال حرارت را افزایش دهند تا انتقال حرارت بین آب و هوای ورودی به سادگی انجام شود. بیشتر از چوب یا پلاستیک ساخته شده اند . آکنه ها باید طوری انتخاب شوند تا هم سطح تماس و هوا برای نسبت های بالای انتقال حرارت و انتقال جرم مناسب باشند و هم مقاومت کمتری در مقابل جریان هوا داشته باشند. آکنه ها باید محکم ، سبک و در برابر خوردگی و خراب شدن مقوام باشند.

دو نوع آکنه که در برج خنک کن استفاده می شود عبارت اند از : ترشحی و فیلمی

پر کننده ترشحی splash packing : در این نوع آکنه ها آب بر اثر برخورد با تیغه ها و پخش به صورت قطره قطره در آمده که در نتیجه ایجاد سطح وسیعی می نماید . از آنجایی که قطرات آب همواره پیوسته بوده و وزن سنگین دارند اینو نوع دسته بندی ممکن است در اثر جریان دائمی از هم گسیخته گردد.

پرکننده فیلمی Film Packing : در این نوع آکنه ها سطح وسیع از آب در اثر جریان آن در روی تیغه ها بوجود می آید و به طرق گوناگونی می توان چنین سطح وسیعی ایجاد کرد.

حوضچه آب خنک cold water basin : حوضچه آب خنک در پایین برج قرار دارد . آب خنکی که از پخش کننده ها فرود می آید را جمع آوری میکند . حوضچه اغلت یک چاهک برای تخلیه آب خنک دارد . در بیشتر برج ها حوضچه آب خنک در زیر تمام سینی ها قرار دارد.

قطره برگردانها یا حذف کننده ها drift eliminator : آنها قطرات آب موجود در بخار را به تله می اندازند تا وراد اتمسفر نشوند . به این وسیله از خارج شدن قطرات آب به وسیله کشش هوا از برج جلوگیری می کند. تیغه ها معوملا طوری نصب می شوند که با سطح افق زاویه ای در حدود ۴۵ درجه بسازد. جنس این طیغه ها از چوب ، فلز یا پلاستیک ممکن است ساخته شده باشد.

ورودی هوا air inlet : دریچه ای برای ورود هوا به کولینگ تاور وجود دارد. ورودی هوا ممکن است در طرح های متقاطع در اطراف بالا قرار داشته باشد یا مثل طرح های متقابل در کف یا قسمت پایین برج قرار گیرد.

کرکره ها louvers` : معمولا برج های با جریان متقاطع دارای کرکره های ورودی هستند که وظیفه آنهاست که جریان هوا را به طور یکنواخت روی سینی ها پخش کند و آب را نگه دارند. بعضی طرح های با جریان متقابل کرکره لازم ندارند.

نازل ها nozzles: آب را به صورت اسپری روی سینی ها می پاشد . توزیع یکنواخت آب روی سینی ها باعث می شود سطوح سینی ها به خوبی خیس شوند. نازل ها می توانند ثابت باشند و طرح های اسپری مربعی یا گرد داشته باشند یا قسمتی از یک جز دوار باشند که در برج های متقاطع دیده می شود.

فن ها fans : روی بدنه برج سوار می شود و آبی را که از بالای برج توسط نازل ها روی صفحه پایینی پاشیده می شود خنک می کند. فن جریان محوری سانتریفیوژی در برج خنک کن استفاده می شود. معمولا در برج های با جریان هوای دمیده شده از فن محوری و در برج های با جریان هوای مکیده شده از هر دو نوع فن های محوری و سانتریفیوژی استفاده میشود. فلز مربوط به پوشش موتور باید به پوشش موتور باید به منظور یافتن علامت خوردگی بررسی شود و پیچ هایی که موتور را به اسکلت اصلی متصل می کنند باید از نظر محکم بودن و سفتی مورد بررسی قرار گیرند. هنگام کار کردن فن به صدای آن با دقت گوش کنید تا صدای یاتاقان های فرسوده و برخورد پره های فن به پوشش محافظ را بشنوید.

از برج خنک کننده در شسیستم خنک کاری واحدهای پالایشگاهی پتروشیمیایی و سایر واحدهای شیمیایی مشابه نیروگاههای حرارتی و سیستم های اچذ وی ای سی برای تهویه متبوع ساختمان استفاده میشود.

برج خنک کننده یا کولینگ تاور در شکل و انواع مختلف ساخته و دسته بندی می شود.

از نظر جریان هوا: برج های خنک کن از نظر جهت جریان هوا در سه گروه جریان مخالف و جریان متقاطع و جریان موافق طبقه بندی می شوند.

از نظر وزش هوا: اجباری با فن و طبیعی بدون فن

از نظر فن: گریز از مرکز و جریان محوری

از نظر گردش آب : باز و بسته.

از نظر ساختار: مکعب فلزی و ذوزنقه چوبی و فایبرگلاس

برج از نظر مدار بسته یا باز: مدار باز به برجهایی گفته می شود که دمای آب در تماس مستقیم با هوا کاهش می یابد. شامل کلیه برج های مورد استفاده در تاسیسات سرمایش و تهویه مطبوع ساختمانهای می شود. در اینگونه کولینگ تاور ها اب خنک کننده کندانسورها به طور مستقیم با هوای جو در تماس قرار می گیرد و بخشی از ان تبخیر می شود.

برج مدار بسته: در صنایع تهویه مطبوع وسرمایش ساختمان آب مدار بسته برج به طور مستقیم به منظور تقطیر سیال ثانویه مورد استفاده قرار میگیرد.

در مدار بسته(غیر مستقیم) آب داخل لوله های مبدل حرارتی با هوای محیط و آب پاشیده شده روی لوله ها تبادل حرارت انجام می دهد و دمای آن کاهش می یابد. از این جهت کندانسور تبخیری هم خوانده می شود.

برج از نظر ساختار بدنه:

برج خنک کن مکعبی فلزی: بر اساس جنس و شکل ورق گالوانیزه بدنه نامگذاری شده است. برجهای کم ظرفیت مکعبی فلزی دارای یک فن جریان محوری در سطح جانبی هستند و بستر ریزش آب در آنها از چوب اشباع شده، مواد پلی مری و یا ورق گالونیزه است. در اینگونه برج های کم ظرفیت از افشانک استفاده نمیشود. بلکه آب ورودی به تشتک فوقانی برج ریخته و سپس از روی سطوح چوبی یا پلیمری گذر کرده و در تشتک زیرین برج جمع می شود. در برج های مکعبی فلزی پر ظرفیت از افشانک و فن های گریز از مرکز استفاده می شود.

برج خنک کن فایبرگلاس: با شکل خمره ای دارای تشتک و بدنه ای از جنس فایبرگلاس و دارای فن جریان محوری در گلویی فوقانی است. جریان آب و هوا در اینگونه برجها از نوع مخالف است. آب از بالا به پایین جریان مییابد و هوا از پایین به بالا. بستر توزیع و گسترش آب در اینگونه برج ها از جنس پی وی سی است.

برج خنک کن ذوزنقه ای: برجهای چوبی ذوزنقه ای شکل هستند که دارای یک فن جریان محوری بزرگ در قسمت فوقانی میباشند. برج های ذوزنقه ای چوبی معمولا زیاد و فن آنها نیز دارای قطر قابل توجه است به همین دلیل انتقال قدرت الکتروموتور به وسیله گیربکس انجام می شود.

برج از نظر وزش هوا:

برج خنک کن با وزش هوای طبیعی(Natural draft): در این سیستم بدون استفاده فن و با پاشش سریع آب در هوا انجام می شود و به شکلی طراحی شده که هوای خنک بیرون به طور طبیعی وارد برج خنک کننده ش ده و پس از خنک کردن آب از قسمت بالای برج خنک کن خارج می گردد. چگالی بین هوای بیرون و هوای گرم و مرطوب داخل برج موجب مکش هوا از جداره های اطراف و خروج آن از بالای برج میگردد. برج هذلولی بر اساس خاصیت دودکشی هوا(تمایل هوای گرم به صعود) و بدن استفاده از فن، عمل کاهش دمای آب ورودی را انجام میدهد.البته در این گونه برجها مدارآب خنک شونده مدار بسته ای است و از داخل کویل هایی که در زیر برج تعبیه شده است عبور می کند. برج های هذلولی کاربرد چندانی در تاسیسات سرمایشی و تهویه مطبوع ندارند و در نیروگاه برق کاربرد دارد.

برج خنک کن با وزش هوا با فن(Mechanical draft): توسط یک فن یا چن فن با دور ثابت یا متغیر جریان هوا به حرکت در می آید. هوای اجباری در برج به داخل آن کشیده شده و از آن به خارج ارسال می شود. بادزن ها بسته به نوع برج ممکن است جریان محوری و یا گریز از مرکز باشند.تمامی برج های خنک کننده سیتم تهویه و تبرید ساختمان از نوع وزش اجباری و مجهز به فن هستند.

برج های خنک کننده mechanical draft به دو نوع زیر تقسیم بندی میشوند:

الف : وزش هوای القایی با فنInduced draft:

در برج های خنک کننده فوق فن در قسمت بالای برج خنک کننده نصب میگردد. و جریان هوا با سرعت ورودی پایین و سرعت خروجی بالا در کولینگ تاور ایجاد میگردد.

ب : وزش هوای اجباری با فن forced draft

فن در این گروه از برج خنک کننده در قسمت پایین آن نصب میگردد و لذا جریان هوای ورودی به برج خنک کننده نصب به جریان خروجی آن داری سرعت بیشتری می باشد. در این برج های خنک کننده به دلیل این که سرعت هوای ورودی به برج بیشتر از هوای خروجی است لذا احتمال وقوع پدیده بازگشت موقت بیشتر است . از طرف دیگر برج های خنک کننده هوای اجباری به فن قویتری نیست به کولینگ تاور از نوع القایی نیاز دارند. همچنین احتمال یخ زدگی این نوع برج در شرایط زمستان بیشتر خواهد بود.

دسته بندی برج های خنک کننده بر اساس نوع تماس هوا با آب صورت میگیرد .متداولترین گونه های برج خنک کن بر اساس مکانیزم های جابه جایی طبیعی و جابه جایی اجباری تقسیم بندی میشوند. از نطر ابعاد و اندازه برج های خنک کن در مدل های کوچک پشتبانی برای ساختمانهای مسکونی تا سازه های غول پیکر و هزلولی شکل که ارتفاعشان در حدود دویست متر و قطرشان در حدود صد متر میرسد وجود دارند.همچنین نوعی از برج خنک کننده با شکل مستطیلی با ارتفاع تقریبی چهل متر و طول هشتادمتر نیز وجود دارد.

کاربرد برج خنک کن به قرن نوزدهم و اختراع چگالنده برای استفاده در موتور بخار بر میگیردد . در چگالنده ها سیال خنک کن غالبا آب است به این صورت که آب با گرفتن گرمای بخاری که از خروجی توربین یا پیستون به چگالنده رسیده است میعان میکند.وجوداین مرحله درچرخه موتوربخارباعث افت فشار بخارخروجی می شود ولی درعوض مصرف بخار ودرنتیجه مصرف سوخت رانیز بالامی برد . البته بایددرنظرداشت که چگالنده ها درعمل نیاز به برج خنک کن به نسبت بزرگی دارند ودرصورت عدم وجود برج خنک کن استفاده از ان ها اقتصادی نیست چرا که هزینه های فراهم کردن آب بیش از سرمایه ذخیره شده از صرفه جویی انرژی می شود . فارق از موتورهای آبی که فراهم کردن آب هزینه ای برای آن ها محسوب نمیشود .

اجزای برج خنک کننده :

فن (پنکه) : فن ها نقش مهمی درخنک سازی دارند واز نوع فن محوری یاسانتریفیوژمی باشند.
پکینگ ها : برای افزایش تبادل حرارتی بین جریان آب وهوا درداخل برج خنک کن از پکینگ ها استفاده میگردد. که باافزایش سطح تماس جریان آب باهوا وهمچنین کاهش سرعت جریان آب درخنک سازی چریان آب نقش موثری دارند. پکینگ ها بصورت شبکه ای بوده ودردونوع غشایی (film peking) واسپلاش (splash peking) دربرج خنک کن ها مورد استفاده قرارمیگیرد.

حوضچه یا پاسین : درسمت زیرین برج خنک کن قرار دارد واب خنک شده دران جمع آوری شده وبه سمت سیستم های سردسازی هدایت می شوند .

قطره گیرها :تیغه های قطره گیر برای جلوگیری از پخش ذرات آب و ممانعت از خروج آنها به محیط بیرون ازبرج خنک کن بکار میرود .جنس ساختری :برج خنک کن ها معمولا به سه صورت فلزی ،فایبرگلاسی و بتنی ساخته می شود .

برج خنک کن های فایبرگلاسی طرح مکعبی – برج خنک کننده مارلی (ذوزنقه ای )- برج خنک کننده مارلی (مکعبی)

– برج خنک کننده سانتریفیوژ –برج خنک کننده کانترفلوفلزی- برج خنک کننده گرد –

برج خنک کننده ها را باتوجه به موارد زیر می توان دسته بندی کرد.

۱- نیروی محرکه جریان :برج خنک کننده ها از لحاظ اینکه نیروی جریان دهنده هواطبیعی یامکانیکی باشد به دودسته تقسیم می شوند .

الف ) برج خنک کننده فن دار (مکانیکی)

در برج های فن دار یک یا چندفن وظیفه به جریاندرآوردن هوا رادرداخل برج خنک کن دارند .دراین نوع تازمانی که فن روشن است جریان هوا بین محیط داخل برج و بیرون برقراراست . همچنین نسبت به برج های بدون فن فضای کنتری رااشغال میکنند . اما مهم ترین عیب این نوع صدا ولرزشی است که فن یا فن ها ایجادمیکنند .

ب ) برج خنک کننده بدون فن

دربرج های بدون فن جریان بصورت طبیعی مابین برج محیط بیرون جابجا میشود . ازجمله مزایای این دسته میتوان به مصرف کمتر انرژی الکتریکی صدای کم ، قطعات محرک کمتر و عدم پاشیدن آب به فضای اطراف واز معایب ان می توان به راندمان پایین تر وهزینه جهت مساحت ان اشاره کرد .

۲- مکانیسم انتقال حرارت :

ازنظر شیوه های انتقال حرارت به سه دسته تقسیم می شود .

برج خنک کننده مرطوب :دربرج خنک کننده مرطوب آب گرم از بالای برج باعبور از پکینگ ها وبرخوردباجریان هوای تازه که از محیط بیرون توسط فن ویابصورت طبیعی واردبرج میشود . ضمن تبادل حرارتی وخنک شدن درپایین برج ته نشین میشود .

مهمترین عیب این سیستم پاشیدن ذرات آب به اطراف وهمچنین تبخیربیش از حد آب میباشد.

برج خنک کننده خشک : درمناطقی که به علت عدم موجودآب کافی باید ازاتلاف آب وتبخیر بیشتر جلوگیری نمود ازبرج خنک کن های خشک استفاده می شود . دراین دسته آب گرم بجای عبورازپکینگ ها ازلوله های پره دار که با هوای سرد درتماس می باشند عبور کرده و خنک میگردد.

برج خنک کن خشک – مرطوب : این نوع ترکیبی از برج خنک کن خشک و مرطوب بود وبرای عوارض ومعایب درسیستم فوق بکار میرود وبرج خنک کن های خشک مرطوب دارای دومسیر هوا بصورت موازی ودومسیرآب بصورت سری می باشند . اب گرم ابتدا وارد لوله های پره دار و سپس وارد پکینگ ها میشود . درطول این مسیر باهوای سرد تبادل حرارتی داشته وآب سرد درپایین برج جمع میگردد.

۳-نحوه ی برخورد جریان ای آب وهوا : برج خنک کن ها برمبنای جهت برخورد جریان های آب گرم باهوای سرد به دودسته تقسیم میشوند .

الف ) برج خنک کن با جریا ن هوای متقاطع :

دراین حالت هوایی که از محیط بیرون وارد برج می شود بصورت متقاطع باجریان آب برخوردمیکند .

ب ) برج خنک کن با جریا ن هوای متقاطع :

دراین حالت هوایی که از محیط بیرون وارد برج می شود بصورت متقاطع باجریان آب برخوردمیکند .

ج ) برج خنک کن با جریان هوای مخالف :

دراین حالت جریان هوای بصورت مخالف باجریان آب برخورد میکند .

مشکلات برج خنک کننده : خوردگی قطعات داخلی برج ، رشد جلبک ها وباکتری ها وبیولوژیکی وهمچنین تشکیل رسوب درقسمت های مختلف برج عمده ترین مشکلات بوجود امده برای یک برج خنک کننده هستند .

منبع: ویکی پدیا، payasardab.com