برج خنک کننده چیست؟ کاربرد انواع کولینگ تاور

به گزارش گسترش نیوز و به نقل از وب سایت شرکت مهندسی تهویه نگار به عنوان مرجع تخصصی صنعت تهویه مطبوع، در این گزارش به بررسی کاربرد و نحوه عملکرد انواع برج خنک کننده یا کولینگ تاور(Cooling tower) در صنایع مختلف و سیستم‌های تهویه مطبوع می‌پردازیم.

چرا از برج خنک کننده استفاده می‌کنیم؟
کارشناسان شرکت مهندسی تهویه نگار در پاسخ به این سوال که چرا از سیستم کولینگ تاور یا برج خنک کننده در صنایع مختلف مانند تهویه مطبوع، پتروشیمی‌ها و... استفاده می‌کنیم؟ اینگونه بیان کردند:
همانطور که می‌دانیم اغلب تجهیزات صنعتی و غیر صنعتی در چرخه کاری خود پس از مدتی گرم می‌شوند. درصد کمی از این ماشین آلات یا تجهیزات گرمای تولید شده را توسط هوای محیط به اطراف دفع می‌کنند. دسته اعظمی از این تجهیزات نیز برای دفع گرمای مازاد تولیدی خود از آب گردشی استفاده می‌نمایند. آبی که گرمای این ماشینها را جذب کرده دچار افزایش دما شده و به سمت مبدل‌های حرارتی هدایت خواهد شد. از طرفی دیگر آب سرد تولیدی از برج خنک کننده در مبدل این انرژی گرمایی را به طور کامل دفع می‌کند.
 
کاربرد برج خنک کننده چیست؟
•    کاربری اول: به منظور دفع گرمای دستگاه‌های صنعتی مختلف در تمامی فصول
اکثر ماشین‌آلات صنعتی همانند کوره‌های ذوب القایی و قوس، بویلرها و توربین‌ها و غیره در چرخه کاری خود مقداری زیادی حرارت تولید می‌کنند. برج خنک کننده با تکمیل این چرخه صنعتی، پروسه جذب این انرژی حرارتی و دفع آن به محیط مطلوب را انجام میدهد. توربین‌های گازی در پالایشگاه‌، کمپرسورهای هوا در نیروگاه‌ و دیگ‌های بخار در صنایع متنوع از مهمترین صنایع کاربردی این محصول بشمار می‌آیند.
در این مدل کاربری وظیفه استخراج انرژی گرمایشی به عهده هوای بدون رطوبت محیط است. هوای خروجی از قسمت گلویی با افزوده شدن نسبت رطوبت سبب می‌شود تا هوای خروجی از برج به حالت اشباع درآید. جالب است بدانید این بخارات موجود در هوا عمدتاً باعث تشکیل ابر و مه در قسمت بالایی کولینگ تاور خواهد شد.

•    کاربری دوم: جهت سرد نمودن چیلرهای تهویه مطبوع ساختمانها در تابستان
اکثریت ساختمانهای مسکونی و آپارتمانهای بزرگ و کوچک، ادارات، بانکها و مراکز خرید دارای سیستم تهویه مرکزی می‌باشند. در سیستمهای سرمایش مرکزی معمولاً از چیلرهای تراکمی یا جذبی در خنک نمودن هوای محیط داخل استفاده می‌نمایند. گرمای جذب شده از یک منطقه ساختمان توسط چیلر سبب افزایش دمای مبرد (گاز کمپرسور) خواهد شد.
آب سرد تولید شده از برج در بخش کندانسور چیلر افزایش دمای مبرد را جبران میکند. لازم بذکر است بدانید که فقط چیلرهایی با کندانسور آبی از برج خنک کن در مدار کندانسور خود استفاده می‌نمایند. بهتر است این نکته را متذکر شویم که چیلرهای تراکمی و جذبی دارای کندانسور آبی هستند.

نحوه عملکرد کولینگ تاور
اساساً دفع حرارت از جریان آب داغ ورودی به برج خنک کننده، بواسطه تبخیر مقداری از جریان آب صورت می‌گیرد. به نحوی که پس از تماس ایجاد شده میان آب و جریان طبیعی یا اجباری هوا درون برج، بخشی از آب در گردش، تبخیر شده و به این ترتیب دمای آب باقی مانده کاهش می‌یابد.
به عبارت ساده تر، گرمای آب داغ ورودی از طریق فرایند تبخیر به جریان هوای عبوری منتقل شده و این چنین ضمن پایین آمدن دمای آب، گرمای نهان هوا و در واقع دمای مرطوب آن به شدت افزایش می‌یابد.

به طور خلاصه نحوه عملکرد برج خنک کننده بر اساس مراحل زیر است:
1.    پمپ: آب گرم توسط پمپ به بالای برج هدایت می‌شود.
2.    پکینگ: آب گرم در تماس با پکینگ (شبکه‌ای از مواد مخصوص) به قطرات ریز تبدیل می‌شود.
3.    جریان هوا: فن‌ها، هوای خنک محیط را به داخل برج می‌کشند.
4.    تبخیر: با افزایش سطح تماس آب و هوا به واسطه پکینگ، تبخیر آب گرم اتفاق می‌افتد.
5.    خنک شدن: گرمای آب از طریق تبخیر به هوا منتقل شده و آب خنک می‌شود.
6.    جمع آوری آب: آب خنک شده در سینی‌های جمع‌آوری در پایین برج جمع شده و مجدداً به فرآیند وارد می‌شود.
7.    بخار آب: بخار حاصل از تبخیر آب به اتمسفر آزاد می‌شود.

انواع برج خنک کننده
•    کولینگ تاور مدار باز: در این نوع، آب گرم به طور مستقیم با هوا در تماس است و مقداری از آن تبخیر می‌شود. این نوع برج خنک کننده در نیروگاه‌ها و پالایشگاه‌ها رایج است.
•    کولینگ تاور مدار بسته: در این نوع، آب گرم در لوله‌هایی جریان دارد که توسط هوای خنک در رادیاتور خنک می‌شود. در این روش تبخیر آب به حداقل می‌رسد و از آن در صنایع دارویی و غذایی استفاده می‌شود.
•    برج خنک کننده هیبریدی یا ترکیبی: سل جدید تجهیزات برودتی تبخیری در واقع ترکیبی از دو سیستم مدارباز و مداربسته هستند. جریان اصلی سیال آب در گذر از سطوح نفوذ حرارتی کویل توسط یک جریان ثانویه پاششی قرار می‌گیرند. در این تماس، گرما توسط نفوذ و هدایت گرمایشی از آب گرم کویل به آب سرد مدار پاششی انتقال می‌یابد. مزیت بزرگ این مدل کاهش دمای آب تا نزدیکی دمای مرطوب محیط طی یک سیکل بدون تبخیر است. این سیستم برودتی در عین حال رسوب گرفتگی به شدت کمتری نسبت به انواع کولینگ تاور مدار باز دارند.

•    برج خنک کننده فلزی: بدنۀ برج‌های خنک کنندۀ فلزی از ورق فولاد ضد زنگ304 یا 316 ساخته می‌شود. عنصر اصلی آلیاژی در این نوع فولاد، کروم و نیکل هستند. همه می‌دانند که فولاد ضد زنگ (استیل) قوی، بادوام و ماندگار است.
•    برج خنک کننده فایبرگلاس: جنس بدنه این نوع برج خنک کننده از پلاستیک تقویت شده با فایبرگلاس یا FRP است. فایبرگلاس یک ماده مقرون به صرفه است که در بین بسیاری از تولید کنندگان محبوب است. فایبرگلاس یا الیاف شیشه یکی از غالب ترین الیافی است که در صنعت پلیمرهای تقویت شده مورد استفاده قرار می‌گیرد.
•    برج خنک کننده مکعبی:  این مدل از سیستم‌های برودتی دارای ظاهر مکعب مستطیل با جنس بدنه فایبرگلاس بوده و بسیار فضای کمی را اشغال می‌نماید. برج خنک کننده مکعبی می‌تواند به صورت مدارباز، مداربسته و یا هیبریدی تولید و طراحی گردد. کولینگ تاور مکعبی دارای سیستم پاشش آب ثابت و بسیار کم رسوب می‌باشد. برج خنک کننده مکعبی به دلیل داشتن ارتفاع زیاد و سیستم پاشش آب منظم دارای راندمان بالایی می‌باشد. سیستم‌های برودتی مکعبی امروزه در بیشتر صنایع بزرگ و همچنین در تهویه مطبوع کاربرد فراوانی دارد.

•    برج خنک کننده مدور یا استوانه ای:  کولینگ تاور مدور یا گرد از جنس بدنه فایبرگلاس است و یکی از قدیمی ترین طرح‌های تولیدی بسیاری از شرکتهای سازنده  به شمار می‌آید. یکی از مشخصه‌های اصلی آن سیستم پاشش آب دوار دارای اسپرینکلر یا آب پخش کن به حساب می‌آید. ابعاد بزرگ استوانه‌ای شکل و ارتفاع کم نسبت به مدل مکعبی از دیگر مشخصات بارز آنها حساب میشود. بیشترین کاربرد این نوع در انواع ساختمان‌های مرتفع به منظور توازن گرمایی در کندانسور چیلر می‌باشد.

پس به طور کلی کاربردهای برج خنک کننده اینطور خلاصه می‌شوند:

کاربردها:
•    نیروگاه‌ها: خنک کردن آب کندانسور توربین‌ها
•    صنایع پالایش: خنک کردن آب فرآیند
•    صنایع شیمیایی: خنک کردن سیالات مختلف در فرآیندهای تولید
•    ساختمان‌ها: سیستم‌های تهویه مطبوع مرکزی
در ادامه برای درک بهتر از نحوه عملکرد برج خنک کننده مدار باز یا مرطوب و همچنین کولینگ تاور مدار بسته یا خشک و در نهایت دستگاه کولینگ تاور هیبریدی، بررسی فنی دقیق تری نسبت به عملکرد و کاربرد آن‌ها خواهیم داشت.

برج خنک کننده تر یا مدار باز مرطوب:
ایجاد تبادل حرارت مستقیم بین آب و هوا باعث کاهش دمای آب در دستگاه خنک کننده می‌شود. در این نوع سیستم بخار آب (تقریباً 1.5 تا 2 درصد) به هوا اضافه شده و هوا را مرطوب یا اشباع می‌کند. این سیستم گاهی اوقات “برج خنک کننده تر” یا ” مرطوب” نامیده می‌شود. افتادن آب از اسپرینکلر روی واشرها و تماس با هوا باعث کاهش دمای آب می‌شود. تبادل حرارت در این نوع سیستم‌ها به طور مستقیم بین آب و هوا صورت می‌گیرد. برج‌های خنک کننده تر در دو نوع ابارایی و القایی تولید و عرضه می‌شوند.
سیستم‌های ابارایی یا کراس فلو با ایجاد جریان مکش عمودی هوا از دو طرف خنک سازی را انجام می‌دهند. دستگاه خنک کننده جریان مخالف (کانترفلو) نیز با ایجاد یک جریان تماس معکوس بین آب و هوا، سیال را خنک می‌کند. کانترفلو بسیار کارآمدتر از انواع دیگر برج‌های خنک کننده است. خنک کننده کانترفلو به دلیل عملکرد خوب خود در شرایط سخت شناخته شده است.
شرکت ابارا پیشرو در تولید برج‌های خنک‌کننده مدار باز است که در آنها آب به طور آزادانه جریان یافته و با هوا در تماس است، و دارای انواع بدنه مکعبی و گرد، ساخته شده از فایبرگلاس یا گالوانیزه، با قابلیت تعویض آب به دلیل تبخیر می‌باشند.

مزایای “برج خنک کننده تر” یا مدار باز:
•    قیمت اولیه پایین تر: برای مدل‌های مدار باز، قیمت اولیه بسیار کمتر از نوع مدار بسته است. این تفاوت قیمت به دلیل استفاده از لوله مسی با پره‌های آلومینیومی در کولینگ تاورهای مدار بسته است.
•    مصرف برق کمتر: مصرف برق در مدل مدار باز کمتر از نوع مدار بسته است.
•    راندمان بالاتر: مدل مدار باز بازده بالاتری دارد. این به دلیل دفع مستقیم گرما ناشی از تماس مستقیم با آب و هوا است. برعکس، در مدل مدار بسته، تبادل حرارت غیرمستقیم است و انتقال حرارت از طریق پره‌ها و دیواره‌های لوله‌ها انجام می‌شود.
•    تنوع ظرفیت‌ها: برج‌های مدار باز را می‌توان در ظرفیت‌های مختلف بین 10 تا 1000 تن طراحی و تولید کرد.
•    ابعاد مناسب: در شرایط ظرفیت یکسان می‌توان برج مدار باز را در ابعاد کوچکتر طراحی کرد. این برای کارگاه‌هایی که فضای فیزیکی محدودی دارند بسیار مهم است.

برج خنک کننده خشک یا مداربسته:
در مدل خنک کننده مدار بسته، آب به صورت بسته و در تماس با هوای خشک محیط خنک می‌شود، یعنی سیستم برودتی به نام «خشک» نیز شناخته می‌شود. این سیستم تحت تأثیر دمای محیط بیرون است زیرا آب در تماس غیر مستقیم با هوای خشک است. این تجهیزات شامل شبکه‌های لوله‌های مسی و پره‌های آلومینیومی به نام «کویل فیندار» است. آب با عبور از این شبکه‌های لوله‌های کویل در تماس با هوای ایجاد شده توسط یک فن یا پروانه خنک می‌شود.
انرژی حرارتی از آب گرم از طریق سطح تماس با سیم پیچ منتقل می‌شود و از آنجایی که تبخیر وجود ندارد، آب بسیار کمی مصرف می‌کند. در این نوع برج‌های خنک کننده بیش از 90 درصد سیستم تهویه محوری یا آکسیال است. طراحی کویل‌های این مدل از برج‌ها با استفاده از نرم افزار پیشرفته محاسبه انتقال حرارت انجام شده است.

مزایای برج‌های خنک‌ کن مدار بسته خشک:
•    مصرف آب صفر
•    لازم به جبران آب نیست
•    صرفه جویی در مصرف
•    مبارزه با رسوبات و باکتری‌ها
•    کاهش ضدعفونی
•    از انواع مایعات استفاده کنید
•    مناسب برای مناطق خشک
•    نگهداری آسان

هیبریدی یا ترکیبی:
نسل جدید تجهیزات برودتی تبخیری جدید، ترکیبی از سیستم‌های مدار باز و بسته هستند که حرارت را از آب داغ کویل به آب سرد مدار پاششی انتقال می‌دهند و دمای آب را تقریباً به میزان دمای محیط کاهش می‌دهند.
این سیستم‌ها به دلیل کاهش مصرف آب و رسوب کمتری نسبت به برج‌های خنک‌کن مدار باز به عنوان «برج‌های خنک‌کننده کم مصرف هیبریدی» نیز شناخته می‌شوند. سیال خنک شونده در داخل کویل خنک شده و سپس حرارت در نزدیکی دمای ورودی برج هیبریدی دوباره تبادل می‌یابد.

مزایا و معایب برج خنک کننده یا کولینگ تاور:

مزایا:
•    راندمان بالا: خنک کردن مؤثر آب با مصرف کم انرژی
•    سازگاری با محیط زیست: عدم نیاز به مبردهای شیمیایی
•    قابلیت استفاده در فضای باز: مقاومت در برابر شرایط آب و هوایی مختلف

معایب:
•    مصرف آب: تبخیر آب در نوع مدار باز می‌تواند منجر به مصرف زیاد آب شود.
•    ایجاد آلودگی صوتی: صدای فن‌ها می‌تواند آزاردهنده باشد.
•    رشد جلبک: راکد ماندن آب در سینی‌های جمع‌آوری می‌تواند منجر به رشد جلبک شود.

اجزای اصلی برج خنک کننده
برج خنک کننده از قسمت‌های مختلفی تشکیل شده است که مهم ترین آن‌ها عبارتند از:
•    فن
•    نازل‌های آب پاش
•    پکینگ
•    پورت آب جبرانی
•    پورت آب سر ریز
•    پورت آب گرم ورودی
•    پورت آب سرد خروجی



فن:  مکانیزمی جهت جابجایی اجباری هوا درون برج خنک کننده می‌باشد. یا از نوع محوری (مکنده) است که در بالای برج قرار می‌گیرد و یا از نوع سانتریفیوژ (دمنده) که در جلوی برج تعبیه می‌شود.
نازل‌های آب پاش: نازل‌هایی نصب شده در کلکتور آب ورودی به برج، که جریان آب داغ واردشده را بر روی پکینگ‌ها توزیع می‌کنند. اتمیزه شدن آب توسط نازل‌ها، علاوه بر پراکندگی بهتر آن روی سطوح پکینگ، منجر به کاهش فشار آب شده که دمای تبخیر آن را پایین می‌آورد. ضمن آنکه با تبدیل شدن آب به قطرات متعدد، سطح تماس میان آب و هوا نیز افزایش می‌یابد.

پکینگ: عاملی است جهت افزایش سطح تماس میان آب و هوا که منجر به تشدید فرایند تبخیر می‌شود. به طوری که پس از پاشش آب توسط نازل‌ها، آب به صورت لایه‌های نازک در سطوح پکینگ، کاملاً پخش شده و این چنین در تماس با هوای بیشتری قرار می‌گیرد. علاوه بر این، بواسطه به تله افتادن آب درون پکینگ، زمان بیشتری برای تبخیر آن به وجود خواهد آمد.
پورت آب جبرانی: متصل به شناوری است که با پایین آمدن سطح آب درون تشتک برج (ناشی از تبخیر و تخلیه آب) آب جبرانی را تغذیه می‌کند. اساس کار شناور متصل به این پروت دقیقا مشابه شناور در کولرهای آبی است. زمانی که سطح آب داخل تشتک کاهش می‌یابد، شناور به سمت پایین حرکت می‌کند و آب بیشتری به داخل کولینگ تاور وارد می‌شود و بالعکس، زمانی که سطح آب داخل تشتک افزایش می‌یابد، شناور بر اساس قانون شناوری پاسکال، به سمت بالا حرکت می‌کند و مسیر آب ورودی به داخل تشتک را محدود تر می‌کند. در واقع وظیفه شناور و پورت آب جبرانی این است که سطح آب داخل تشتک برج خنک کننده را در سطح بهینه ای حفظ کند.

پورت آب سر ریز: در صورت خرابی شناور و عمل نکردن آن هنگام پر شدن تشتک برج، از طریق این پورت، آب اضافی از تشتک سرریز می‌شود. چراکه در صورت تجمع بیش از حد برج و رسیدن سطح آب به پکینگ‌ها، عملکرد برج خنک کننده دچار اختلال می‌شود.
پورت آب تخلیه: با توجه به ارتباط مستقیم آب با هوا و در نتیجه کثیف شدن آن، آب آلوده شده از طریق این پورت تخلیه شده و بوسیله پورت آب جبرانی، آب تمیز جایگزین می‌شود. پورت آب تخلیه همواره در پایین ترین قسمت از تشتک کولینگ تاور نصب می‌شود.
پورت آب داغ ورودی: محل ورود آب داغ به برج خنک کننده می‌باشد. این آب داغ می‌تواند از خروجی کندانسور چیلر تراکمی آب خنک و یا خروجی کندانسور یک چیلر جذبی باشد که حامل گرمای جذب شده از داخل ساختمان هستند.
پورت آب سرد خروجی: محل خروج آب سرد از برج خنک کننده می‌باشد، در واقع آب سرد شده مجددا در دستگاه یا سیستم مورد نظر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

نکات مهم:
•    انتخاب نوع برج خنک کننده به عوامل مختلفی مانند ظرفیت خنک کنندگی مورد نیاز، شرایط محیطی و محدودیت‌های بودجه بستگی دارد.
•    برای عملکرد صحیح برج خنک کننده، باید به طور مرتب سرویس و نگهداری شود.
•    استفاده از روش‌های تصفیه آب می‌تواند مصرف آب در برج‌های خنک کننده مدار باز را کاهش دهد.

راهنمای انتخاب برج خنک کننده مناسب
انتخاب برج خنک کننده مناسب به عوامل مختلفی مانند موارد زیر بستگی دارد:
•    ظرفیت: ظرفیت برج خنک کننده باید با توجه به نیاز و حجم آب مورد استفاده در صنعت انتخاب شود.
•    نوع کاربری: نوع برج خنک کننده (مدار باز یا مدار بسته) باید با توجه به نوع کاربری و شرایط آب و هوایی انتخاب شود.
•    جنس بدنه: جنس بدنه برج خنک کننده باید با توجه به شرایط محیطی و میزان خوردگی انتخاب شود.
•    میزان صدا: در صورت نیاز به سکوت، باید از برج‌های خنک کننده با صدای کم استفاده کرد.
•    قیمت: قیمت برج‌های خنک کننده می‌تواند متغیر باشد و باید با توجه به بودجه موجود انتخاب شود.
 
علاوه بر موارد فوق، در هنگام انتخاب برج خنک کننده باید به موارد زیر نیز توجه کرد:
•    گارانتی و خدمات پس از فروش
•    سابقه و تجربه شرکت سازنده
•    موجود بودن قطعات یدکی
برای انتخاب دقیق و اصولی برج خنک کننده، بهتر است از مشاوره متخصصان و کارشناسان این حوزه استفاده کنید.

کاتالوگ برج خنک کن
کاتالوگ برج خنک‌کننده حاوی اطلاعات جامعی از تجهیزات و اجزاء مختلف یک دستگاه صنعتی است. این کاتالوگ شامل اطلاعاتی در مورد ابعاد، ظرفیت، مدل‌ها، و قطعات جانبی برج خنک‌کننده است. اطلاعات فنی مانند ضخامت بدنه فایبرگلاس، توان الکتروموتور، و مشخصات پروانه‌ها نیز در این کاتالوگ قابل دسترسی است. حتما قبل از خرید دستگاه کاتالوگ و اطلاعات فنی آن را با دقت بخوانید.

نتیجه گیری:
برج خنک کننده (Cooling Tower) دستگاهی است که وظیفه کاهش دمای آب را بر عهده دارد. این کار با انتقال حرارت آب گرم به هوای محیط انجام می‌شود. به عبارت ساده، برج خنک کننده مثل رادیاتور خودرو عمل می‌کند، با این تفاوت که به جای خنک کردن موتور، دمای آب داغ مورد استفاده در صنایع مختلف را پایین می‌آورد.
ظرفیت و طراحی برج خنک کننده به عوامل مختلفی مانند میزان گرمای ورودی و آب خروجی مورد نیاز بستگی دارد. برج‌های خنک کننده مانند برج خنک کننده تر ظرفیت‌های مختلفی دارند و برای انتخاب مناسب ترین برج باید محاسباتی انجام شود. انتخاب دقیق برج با محاسبات صحیح، عملکرد و راندمان آن را به طور قابل توجهی تحت تاثیر قرار می‌دهد.

قیمت و بهای تمام شده برج خنک کننده
قیمت یا فی در هر موضوعی طبیعتاً حرف آخر را می‌زند و در مورد برج خنک کاری نیز این موضوع صادق می‌باشد. قیمت هر دستگاهی که تولید می‌شود از عوامل مختلفی می‌تواند تأثیرپذیر باشد. قیمت این تجهیز نیز با توجه به جامع بودن قطعات داخلی و سروکار داشتن با بخشهای مختلف تهیه مواد اولیه دائماً دستخوش تغییرات فراوان می‌شود.

عوامل اصلی موثر در قیمت برج خنک کن
•    نوع دستگاه (مکعبی یا مدور، مدارباز یا مداربسته)
•    ظرفیت سرمایشی یا برودتی (از 10 تن تبرید تا 4500 تن تبرید)
•    قیمت مواد اولیه فایبرگلاس همانند الیاف و رزین
•    نوع الیاف و رزین بکاربرده شده در تولید و ساخت
•    تعداد لایه‌های الیاف و رزین و ضخامت نهایی بدنه
•    نوع پکینگ مدیا بکار رفته و گرید مواد بکار رفته در پکینگها
•    گرید عایق حرارتی و کلاس محافظتی موتور و نوع برند موتور
•    نوع پروانه با فن، نوع تیغه‌های بکار رفته و تعداد پره‌های فن مکنده
 
منابع گزارش:
وب سایت https://tahviehnegar.com/
وب سایت https://www.bcsind.com/blogs/cooling-tower/
وب سایت https://filter.eu/what-is-a-cooling-tower/
وب سایت https://en.wikipedia.org/wiki/Cooling_tower
وب سایت https://badrantahvie.com/
وب سایت https://dama-goostar.ir/
وب سایت https://tanamsepahan.com/