برج خنک کننده چیست؟
آشنایی با انواع برج های خنک کننده
تصویر انواع برج خنک کننده مرطوب، مداربسته هیبریدی و خشک
1- برج خنک کننده مدارباز مرطوب یا تر: این مدل دستگاه با ایجاد یک سطح تبادل تماس مستقیم بین هوا و آب سبب کاهش دمای آب میشود. در این سیستم برودتی درصدی از آب(1.5 تا 2 درصد) دچار تبخیر شده و وارد هوای ورودی خواهد شد. این موضوع موجب مرطوب شدن هوای اطراف یا اشباع شدن آن میگردد. بخاطر همین موضوع به این مدل سیستم سردکننده کولینگ تاور مرطوب یا خیس نیز گفته میشود. آب خروجی از افشانک یا اسپرینکلر شروع به ریزش بر روی پکینگها کرده و از سوی دیگر در تماس با هوا دچار کاهش دما میگردد.
2- برج خنک کننده مداربسته خشک: در این مدل، آب در یک چرخه تماماً بسته (Close) در تماس با هوای خشک محیط سرد میگردد. از این رو این نوع سیستم برودتی را خشک یا درای نیز می نامند. به دلیل تماس غیر مستقیم آب با هوای خشک، دمای آب تحت تاثیر دمای محسوس اقلیم جوی قرار دارد. این تجهیز دارای شبکه‌های لوله ی مسی و فینهای آلومینیوم تحت عنوان کویل فیندار میباشد. آب در گذر از این شبکه‌های لوله ای کویل در تماس با هوای فن یا پروانه، سرد میگردد.
3- برج خنک کننده هیبریدی یا ترکیبی: نسل 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.
دسته بندی برج خنک کننده بر اساس شکل ظاهری
1- برج خنک کننده با استراکچر مکعبی: این مدل از سیستمهای برودتی دارای ظاهر مکعب مستطیل 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.
مزایای برج خنک کننده مکعبی
- رسوب گرفتگی کمتر در تجهیزات داخلی همچون نازل و پکینگ مدیا
- اشغال فضای کمتر به دلیل نداشتن فضای پرت و اضافی
- راندمان بالاتر و کاهش دمای بیشتر آب
- تعمیر و نگهداری آسان‌تر
- ارسال و حمل بسیار سریع، کم هزینه و آسوده
- دارای مخزن آب سرد بزرگتر نسبت به مدلهای مخروطی
2- برج خنک کننده با استراکچر مدور یا استوانه ای: کولینگ تاور مدور یا گرد 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.
مزایای برج خنک کننده استوانه‌ای یا مدور
- نصب آسان در محل پروژه
- صدای کمتر فن یا پروانه و گردش آسان تر و بهینه هوا
- قیمت پایین تر و اقتصادی تر بودن نسبت به تیپ مکعبی
- مکندگی بهر هوا بدلیل داشتن لوورهای بزرگتر
دسته بندی برج خنک کننده بر اساس نوع جریان هوای ورودی
الف) برج خنک کننده جریان مخالف یا کانتر فلو: کولینگ تاور کانترفلو دارای ورودی هوا از تمامی جوانب دستگاه در قسمت بالایی تشتک و بخش زیرین پکینگها میباشد. جهت جریان هوای ورودی به برج خنک کننده جریان مخالف در جهت مخالف با جریان آب پاششی از نازل میباشد. هوا در این مدل از قسمت لوورهای پایین وارد میشود و از بخش بالای تنوره فن خارج میشود. کارایی این مدل کولینگ‌تاور بسیار مناسب برای محیط‌های گرم و خشک میباشد. در شهرهایی همانند یزد، شیراز، مشهد، تهران، اراک و اصفهان که رطوبت نسبی هوا پایین میباشد، بسیار کاربرد دارند. سیستم های کانترفلو راندمان بالاتری نسبت به سیستم کراس یا متقاطع دارند. البته کاربری این سیستم‌ها در مناطق مرطوب و شرجی کارایی کمی دارد.
ب) برج خنک کننده جریان متقاطع یا کراس فلو: کولینگ تاور کراس فلو یا جریان عمود دارای دو ورودی اصلی هوا در دو طرف میباشد. هوا در ورود به این بخش به صورت عمود بر جریان ریزشی آب سبب سرد شدن این سیال میشود. برج خنک‌کننده جریان متقاطع به دلیل تماس هوای تازه در سراسر قسمت پکینگ دارای عملکرد خوبی در مناطق شرجی میباشد. در مناطق شمالی و جنوبی کشور عزیزمان که به دلیل نزدیکی به دریا، رطوبت محیط محل نصب کولینگ تاور بالا میباشد. در این گونه مناطق اقلیمی از کولینگ تاورهای جریان متقاطع یا ابارا استفاده میشود. شهرهایی همانند اهواز، ماهشهر، بوشهر، رشت، گرگان و ... بسیار مناسب جهت کاربری این دستگاه میباشد. این مدل اولین بار توسط شرکت ابارا ژاپن ایده پردازی شده است. به همین دلیل به این چنین سیستم های برودتی برج خنک کننده ابارا نیز گفته میشود.
دسته بندی برج خنک کننده با متریال بدنه متفاوت
1- برج خنک کننده فایبرگلاس: فایبرگلاس امروزه بیشتر تولیدات صنعتی را معطوف خود کرده است. استفاده از صنعت کامپوزیت در تولید قطعات فایبرگلاس از نوع FRP (fiber reinforce polymer) میباشد. فایبرگلاس به معنی الیاف شیشه مقاوم شده با پلاستیک میباشد که از دو عنصر الیاف و رزین تشکیل میگردد. به بیانی ساده‌تر ساختار کامپوزیت بدنه متشکل است از الیاف تقویت شده با رزینهای پلی‌استر. قطعات فایبرگلاس بدنه ابتدا در قالب مورد نظر تحت پوشش الیاف، رزین، اروزیل و تیتان قرار می‌گیرد. بعد از مدت ژل تایم و پخت از قالب اولیه جداسازی میشوند. به منظور پخت و فرآوری نهایی، قطعات بدنه را در تماس با تابش مستقیم نور خورشید قرار می‌دهند.
دقت کنید !! نوع الیاف و رزین بکار رفته در ساخت قطعات فایبرگلاس بیشترین تاثیر را در کیفیت نهایی بدنه می‌گذارد.
الیاف فشرده فایبرگلاس در برج خنک کننده در دو تیپ کلی حصیری و سوزنی در قطعات بدنه به کار برده میشود. ترکیب این دو الیاف در تولید قطعات بدنه سبب افزایش مقاومت نهایی سازه کامپوزیتی میشود. البته الیاف‌های پودری نیز تحت عنوان پرکن در لایه‌های آخر سبب ضد نفوذ شدن بدنه در مقابل آب میشود. تولید قطعات بدنه فایبرگلاس باید مطابق با استانداردهای لازم صورت پذیرد تا کیفیت مورد انتظار را داشته باشد. برج خنک کننده فایبرگلاس امروزه عمدتاً در دو تیپ مکعبی و مدور تولید و عرضه میگردد. این دستگاه جایگزین بسیار عالی برای انواع کولینگ‌تاور بتنی و فلزی در صنعت به شمار می‌رود. قسمت‌های مختلف بدنه فایبرگلاس این نوع شامل فن استک، پنل، لوور، ستونی و تشتک میباشد.
مزایای برج خنک کننده فایبرگلاس
- لرزش کم و فرکانس ارتعاش پایین به دلیل دمپ عالی ارتعاشات توسط الیاف شیشه
- دسترسی آسان به بخشهای داخلی همانند پکینگ، قطره گیر، نازل و آب پخش کن
- عدم پوسیدگی در مقابل جریان آب در داخل و گرد و غبار در بیرون
- عدم نفوذ پذیری گرمایشی و جذب حرارت توسط نیروی تابشی خورشید
- عدم رسوب پذیری در مقابل تبخیر آب و افزایش مواد محلول
- قابلیت اسیدشویی بدنه و رسوب زدایی تجهیزات داخلی
- سبک و دارای قابلیت حمل و جابجایی آسوده و راحت
2- برج خنک کننده سیمانی یا بتنی: کولینگ تاور بتنی (concert cooling tower) دارای یک سازه تمام سیمانی به شکل مکعبی یا به شکل هذلولی میباشد. سیستم هوادهی در این تجهیز به خصوص عموماً سیستم دمش یا مکش القایی از نوع axial میباشد. سیستم هوادهی این سیستمهای برودتی شامل یک فن محوری دمنده بزرگ یا چند فن محوری مکنده کوچک میباشد. این نوع بیشتر در نیروگاه‌ها و پالایشگاه‌های بزرگ دیده میشود و به همین دلیل به آن ، برج خنک کن نیروگاهی نیز گفته میشود. امروزه نوع بتنی عمدتاً برجها برای صنایعی که دارای دبی آب بالایی می‌باشند کاربرد فراوان دارد.
دلایل رد سیستم کولینگ تاورهای بتنی
- وزن بسیار زیاد و سنگینی بیش از حد بدنه و استراکچر اصلی
- عدم قابلیت حمل و جابجایی و تغییر مکانی محل نصب
- هزینه بسیار زیاد سازه عمرانی بتنی
- سرعت ساخت پایین سازه سیمانی
- مصرف آب بسیار زیاد به دلیل عملکرد ضعیف تبادل حرارت
- رشد جلبک و میکرو ارگانیسم‌ها و باکتری‌های داخل تشتک بتنی
3- برج خنک کننده فلزی گالوانیزه یا استیل: بکارگیری بدنه فلزی به نظر گزینه هوشمندانه ای جهت جلوگیری از اتلاف وقت در تولید دستگاه محسوب میشود. بدنه فلزی بکار رفته با ایجاد پوشش‌های مناسب می‌تواند مقاومت کافی در برابر رسوب و خوردگی را داشته باشد. برج خنک کن با بدنه فلزی قالباً از متریال فولاد گالوانیزه یا استنلس استیل تولید و عرضه میشود. کولینگ‌تاور فلزی عموماً دارای یک چارچوب و اسکلت فلزی به صورت چند پارچه میباشد. استراکچر و فریم اصلی دستگاه توسط پیچ و مهره اسمبل (مونتاژ) میگردد. برجهای خنک کننده فلزی بیشتر توسط شرکت شرکتهای بالتیمور و سارآفرین در گذشته تولید و عرضه میشدند. امروزه به دلیل معایب زیاد طراحی از این مدل سیستم های برودتی استفاده چندانی نمی‌شود.
دلایل رد سیستم کولینگ تاور فلزی یا گالوانیزه در صنعت
- رسوب و خوردگی بدنه فلزی در مقابل جریان آب
- وزن بسیار بالا و سنگین بودن بیش از حد
- عدم حمل و جابجایی آسان به دلیل سنگینی بیش از حد قطعات فلزی
- عدم دسترسی آسان به اجزای داخلی به دلیل زنگ زدگی اتصالات
- رشد جلبک ، لجن و میکروارگانیسم ها و کاهش کیفیت آب سرد خروجی
- جذب و نفوذ آسان انرژی گرمایی تابشی حاصل از تابش نورخورشید
- ایجاد سر و صدای زیاد به دلیل ارتعاش بدنه و نوع سیستمهای هوادهی نامرغوب
نحوه محاسبه توان یا ظرفیت برج خنک کننده
قابلیت کولینگ تاور در دفع انرژی گرمایی از سیال آب و انتقال آن به هوا توان برودتی یا ظرفیت سرمایشی نامیده میشود. به هر میزان این توان برودتی بالاتر باشد پتانسیل دستگاه در کاهش دمای آب بهتر خواهد بود. سیال خنک‌شونده، میزان مایع در گردش و اختلاف دمای ورودی و خروجی عوامل اولیه تعیین ظرفیت برودتی حساب میشوند. به نرخ حجمی آب گردشی، دبی آب سیرکوله (water flow rate) میگویند. البته دمای مرطوب محیط، میزان رطوبت نسبی و ارتفاع از سطح دریا نیز عوامل ثانویه در شرایط کارکرد هستند. اختلاف دمای ورودی و خروجی سیال را اصطلاحاً دلتاتی یا رنج (range) می‌نامند.
مشخصه‌های تعیین کننده ظرفیت کولینگ تاور
- دبی جرمی سیال در گردش (گذر اسمی سیال)
- نوع سیال خنک‌شونده و تعیین ظرفیت گرمایشی ویژه در فشار ثابت
- دمای ورود و خروج سیال (دمای خروجی محدود به دمای حباب تر)
- ضریب تأثیر طراحی در محاسبه ظرفیت نامی و تفکیک آن از توان واقعی
روش‌های رایج و مرسوم در محاسبه ظرفیت کولینگ تاور
- معادلات ترمودینامیکی حاکم بر شرایط طراحی (q=m*c*delta T)
- استفاده از نرم افزارهای آنلاین و آفلاین همچون نرم افزارهای محاسباتی دماگستر
- محاسبه براساس ظرفیت و نوعیت چیلر
منظور از تن تبرید در برج خنک کننده چیست؟
حتماً بارها شنیده‌اید که ظرفیت دستگاه چیلر معادل 100 تن یا 200 تن میباشد. در بیشتر سیستمهای سرمایشی کلمه "تن تبرید" را معادل توان سرمایی در خنک‌سازی آب تعریف می‌کنند. لفظ تن را در این اصطلاح مهندسی، خلاصه شده کلمه تن تبرید یا تن سرمایی می‌دانند که یکی از واحدهای انتقال حرارت حساب میشود. تن سرمایی در اصول ترمودینامیک معیار سنجش قدرت دستگاه‌های برودتی به شمار می‌آید. واحد جابجایی انرژی در زمان یعنی تن تبرید (RT) هم ارز یکاهایی همچون KW و BTU/H است. هر تن تبرید برابر با 3.51 کیلووات و برابر با 12 هزار پوند انرژی بر ساعت محاسبه میگردد.
قانون پایستگی انرژی و جرم در سامانه برج خنک کننده
موازنه انرژی (energy balance)
برج خنک کننده دستگاهی جهت انتقال حرارت QC (گرمای کندانسور یک ماشین صنعتی) به محیط اطراف میباشد. در چرخه هر فرآیند ترمودینامیکی قانون پایستگی انرژی برقرار است. عملیات انتقال انرژی در برج خنک کننده نیز یک فرآیند ترمودینامیکی محسوب میشود. انرژی مصرفی دستگاه برودتی بیانگر توان مصرفی (قالباً انرژی برق) در بخشهای مصرف کننده برج میباشد. مصرف کننده‌های اصلی انرژی برق، الکتروموتور بخش هوادهی و پمپ سیرکولاتور آب می‌باشند. گرمای تولیدی نیز نشانه‌ی میزان انرژی است که در بخش کندانسور به آب انتقال می‌یابد. در نهایت مکمل این دو مورد دفع گرمای جذب شده از آب در این دستگاه است. بازنویسی قانون پایستگی انرژی در چرخه کاری کولینگ تاور به شرح ذیل صورت می‌پذیرد.
گرمای مازاد تولیدی از منبع گرم = انرژی مصرفی (برق موتور و پمپ) + گرمای دفع شده در برج خنک کننده
موازنه جرم (mass balance)
فرآیند تبادل انرژی در قالب انواع برج خنک‌کننده یک فرآیند ترکیبی از انتقال جرم و حرارت به صورت همزمان میباشد. کولینگ‌تاور با ایجاد یک سطح تبادل حرارت بسیار بزرگ سبب تبخیر درصدی از آب میگردد. تبخیر صورت گرفته در خود مقدمه جذب گرمای موجود در جریان اصلی آب میشود. گرمای لازم جهت بخار شدن آب و از هم گسسته شدن پیوندهای ملکولی آب از مابقی جریان آب جذب میشود. جریان اصلی سیال آب با از دست دادن گرما دچار کاهش دما شده و اصطلاحاً سرد خواهد شد.
علاوه بر تبخیر دو عامل دیگر در برج خنک کننده موجب هدر رفتن آب می شود. بلودان یا تخلیه و پرتاب قطره‌های آب از فن محوری به بیرون از دیگر عوامل مصرف آب میباشد. به منظور برقرار شدن قانون پایستگی جرم باید میزان مشخصی آب را به طور دائم وارد دستگاه بنماییم. به این جریان آب که به صورت دائمی وارد برج‌خنک‌کن میشود، جریان جبرانی (make up) نیز میگویند. فرمول زیر به منظور پایسته شدن جریان سیال در سامانه فوق برقرار است.
جریان جبرانی = آب تبخیر شده + تخلیه جریان مواد غلیظ (blow down) + پرتاب قطره‌ها از قسمت فن (drift)
نحوه تبادل انرژی گرمایشی در برج خنک کننده
در علوم انتقال حرارت مبدلهای تبخیری حرارتی نوعی منتقل کننده های انرژی حرارتی به شمار می‌آیند. این تجهیز سرمایشی عمل انتقال گرمای اضافی یک چرخه ترمودینامیکی به محیط اطراف را انجام می‌دهد. انرژی منتقل شده از آب به هوا امکان دارد گاهاً در یک سامانه باز صورت پذیرد. در این صورت آب در خروجی از افشانک‌ها بر روی پکینگ‌مدیا پاشش می‌کند و در تماس با هوای القایی فن قرار می‌گیرد. در این جریان تماسی با برخورد آب و هوا گرمای آب از دو طریق به هوا انتقال می‌یابد. در حالت اول گرما به دلیل اختلاف دمای دو سیال در قسمت پکینگها یا پدهای سلولزی از آب به هوا جابجا میشود. در حالت دوم انرژی به صورت گرمای محسوس سبب بخار شدن درصد کمی آب و سردشدن این سیال میشود. بهره گیری از دو روش تبادل انرژی سبب شده تا این سیستم بیشترین راندمان برودتی را در انواع کولینگ تاور داشته باشد.
در برخی از انواع برج خنک کننده سطوح تبادل گرما به صورت کویل(Coil) یا شبکه‌ای از لوله‌های باریک میباشد. جریان سیال با گذر از شبکه لوله های باریک در تماس با هوای خشک محیط باز خنک می شود. گرمای محسوس در این فرآیند صفر می باشد و تبخیری در جریان اصلی سیال صورت نمی پذیرد. میزان افت دما در این روش کمتر خواهد بود ولی مزیت بزرگ این روش عدم تبخیر جریان آب می باشد. فقدان تبخیر در سیکل بسته در برجهای خنک کننده سبب کاهش رسوب و خوردگی در مبدل و تجهیزات دیگر میشود. بکارگیری سیکل بسته در جریان خنک کاری سیالات مختلف دیگر نیز مورد کاربرد قرار می‌گیرد. علاوه بر دو مزیت فوق عدم تبخیر در سیکل بسته سبب می شود که مصرف آب این تجهیزات بسیار پایین باشد. مصرف آب برجهای خنک کننده ترکیبی نیز حتی 25 درصد مصرف آب در سیستمهای باز میباشد.
نظرات
ارسال یک نظر