برج خنک کننده چیست و چگونه کار می کند؟

برج‌ خنک‌کننده آبی تجهیزاتی کاربردی جهت خنک سازی سیال آب هستند که با پاشش آب گرمی که وارد سیستم می‌شود بر روی پکینگ ها و انتقال گرما به اتمسفر، گرما را از سیالی که در فرآیندهای مختلف صنعتی و تجاری در جریان است می زداید. برج خنک کننده آب که می توان آنها را به عنوان تجهیزات اتمسفریک تعریف کرد، یک واحد حذف حرارت هستند که برای به دست آوردن آب سرد در تاسیسات صنعتی و سیستم های HVAC در هر بخش استفاده می شود.

 در حالی که برج خنک کننده مدار باز کار می کند، مقداری از آب عبوری از خود را تبخیر می کند و گرمای ناخواسته موجود در سیال را به جو منتقل می کند. آب باقیمانده به درجه دلخواه خنک می شود. آب ورودی به برج خنک کننده بسته به شرایط دمای حباب مرطوب به انگلیسی: Wet-bulb temperature خنک می شود.

بهتر است بدانید که برج های خنک کننده مرطوب از نظر انرژی مصرفی به عنوان اقتصادی ترین سیستم های خنک کننده فرآیندی شناخته می شوند. برج خنک کننده، به طور خاص و هدفمند و اقتصادی در مناطق صنعتی استفاده می شود. این تجهیزات دارای کندانسور نوع آبی است و بهره وری انرژی را در سیستم های خنک کننده مانند چیلرهای آب خنک و سیستم های vrf، چیلرهای گریز از مرکز، چیلرهای جذبی ارائه می دهد.

انواع برج خنک کننده آبی:

این دستگاهها را می توان با توجه به نوع کاربری و مساحت آنها از یکدیگر متمایز کرد. انواع برج خنک کننده آبی که به طور کلی مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از:

برج خنک کننده مدار باز:

پرکاربردترین نوع برج خنک کننده آبی است. آب خنک شده توسط این کولینگ تاورها که به عنوان برج خنک کننده مدار باز طراحی شده اند، مستقیماً به اتمسفر منتقل می شود. از آنجایی که آبی که در برج خنک کننده به کمک هوا و فن در حال حرکت است تحت تأثیر شرایط محیطی قرار می گیرد، لازم است اقدامات احتیاطی جهت محافظت سیال در برابر آلودگی انجام شود.

برج خنک کننده مدار بسته:

در برج خنک کننده مدار بسته، آب خروجی از کندانسور یا فرآیند از طریق کویل به صورت دسته لوله ای در داخل برج عبور داده می شود. در حالی که برج خنک کننده مدار بسته در حال کار است، آبی که در حوضچه برج خنک آماده شده است توسط پمپ مکیده شده و روی رادیاتور (کویل حاوی سیال گرم) در بالا برج  اسپری می شود. در حالی که آب پاشیده می شود، هوا با کمک فن ها از روی کویل مسی برج خنک کن عبور می کند تا تبخیر شود و گرما به جو منتقل می شود. سیال عبوری در کولینگ تاور مدار بسته ، نسبت به نوع مدار باز مزیت بیشتری دارد زیرا همیشه تمیز می ماند.

برج خنک کننده جریان طبیعی:

در این نوع از دستگاه ها، هیچ ابزار کمکی برای انتقال جریان هوا به درون برج و خروج گرما زاید به جو به کاربر برده نمی شود. جریان هوا از طریق لوورها وارد دستگاه شده و در تماس با جریان آب قرار می گیرد و سیال گرم را تا نزدیکای دمای لامپ خشک، خنک سازی می نماید. 

برج خنک کننده جریان اجباری( جریان مکانیکی):

حضور یک فن محوری یا شعاعی با متریال معین یکی از عناصر اصلی بازده بالا در این دسته از برجها به شمار می رود. جریان هوا با کمک فن آکسیال به درون برج هدایت و بر روی سطوح پکینگ یا کویل دمیده می شود و با قدرت بیشتری فرآیند خنک سازی سیال گرم را انجام می دهد.

برج خنک کننده ضدجریان (کانترفلو CUNTERFLE):

جریان آب و هوا با زوایه 360 درجه با یکدیگر برخورد می کنند یعنی دقیقا این دو نوع سیال در جهت عکس حرکت نموده و با یکدیگر تماس پیدا می کنند. جهت حرکت جریان آب از بالا به پایین  می باشد به این صورت که اب توسط نازل ها بر روی پکینگ برج خنک کننده اسپری میشود و حرکت سیال هوا از پایین به بالا توسط فن محوری صورت میگیرد.

برج خنک کننده جریان متقاطع (کراس فلو CROSSFLUE):

در این مدل از برج های خنک کن جریان آب با جریان هوا با زوایه 90 درجه با یکدیگر برخورد می کنند. قطعا هریک از این برج ها مزایا و معایب منحصر به فرد خود را دارند، موقعیت کاربری و مشخصات آب و دمای مدنظر کارفرما تعیین کننده طرح اولیه برج خنک کن می باشد. داده های ورودی و خروجی که کارفرما اعلام می نماید توسط کارشناسان گروه صنعتی آذین تهویه مورد بررسی قرار می گیرد و طرح نهایی دستگاه اعلام و به سمع نظر کارفرما می رسد. 

مناطق استفاده از برج خنک کننده:

انواع برج خنک کننده آب با توجه به مناطق کاربری آنها متفاوت است، مناطق استفاده از برج خنک کننده آبی عبارتند از:

    صنایع شیمیایی

    کارگاه های تزریق پلاستیک

    صنایع ریخته گری

    صنایع پردازش آهن و فولاد

    صنایع  تولید سیمان

    صنعت چرم سازی

    صنعت تولید کاغذ

    صنایع مواد غذایی 0تولید مواد لبنی، تولید رب گوجه فرنگی، تولید قند، روغن، بیسکوییت و .... )

    صنعتی خودروسازی و زیر صنعت

    صنایع شیشه

    اماکن اقامتی مانند هتل، اقامتگاه و فرودگاه

    پالایشگاهها

    نیروگاههای برق 

    نیروگاه هسته ای و حرارتی

    نیروگاههای پسماند

فواید استفاده از برج خنک کننده:

به لطف استفاده از برج خنک کن، کاهش دمای آب با مصرف انرژی کمتر ارائه می شود.

در نوع مدار بسته آب کمی مصرف می شود.

نیازهای آب زیرزمینی یا شبکه ای کسب و کارها به حداقل ممکن کاهش می یابد.

به لطف خنک کننده منظم، وقفه های تولید و تولید معیوب حذف می شوند.

برج خنک کننده آبی چگونه کار می کند؟

عملکرد انواع برج خنک کننده به روش های گوناگونی صورت میگیرد. برای تشریح بهتر روش کاری برج خنک کن می توان آنها را به طور کلی به دو دسته برج جریان مخالف و برج جریان متقاطع تقسیم نمود.

در برج خنک کننده کانتر فلو، هوا از پایین به بالا حرکت می کند در حالی که آب از بالا به پایین فیلتر می شود. در برج های خنک کننده آب با جریان متقاطع( کراس فلو)، با پایین آمدن آب از بالا، جریان هوا افقی است. ترجیحا بسیاری از کاربران تمایل به استفاده از برج خنک کن جریان مخالف را دارند. در برج‌ خنک‌کن ضد جریان اجباری، آب گرم شده در سیستم با کمک سیستم توزیع آب و نازل ها به طور همگن در کل قسمتهای برج از بالا به پایین پاشیده می‌شود. پس از پاشش، توده های آب با فیلتر کردن از میان لایه های پکینگ برج منکسر می شوند. با توجه به رطوبت موجود در محیط بیرونی به کمک الکترو فن برج خنک کننده ، هوا از پایین به بالا روی سطوح پکینگ مکیده می شود. آبی که با هوا برخورد می کند با گرما دادن به هوا خنک می شود و قسمت کوچکی از آن تبخیر می شود. آب سرد شده در حوضچه آب سرد برج خنک کن جمع آوری شده و به سایر تجهیزات ارسال می شود. در نتیجه تبخیر آب، هوایی که رطوبت آن افزایش یافته است (نزدیک به میزان اشباع)  توسط فن استک در بالای برج به جو منتقل می گردد.

فرمول میزان مصرف آب در برج خنک کننده :

از دست دادن تبخیر:

با توجه به اصول ترمودینامیک؛ تقریباً 540 کالری انرژی از سیستم جذب می شود تا هر گرم آب تبخیر شده بتواند فاز (حالت) خود را تغییر دهد.

با این رویکرد؛ به ازای هر 6 درجه سانتیگراد خنک شدن آب در گردش در سیستم، تقریباً 9/0 درصد از دبی آب در گردش باید تبخیر شود که به این کاهش تبخیر برج خنک کننده آب گفته می شود .

این مقدار با فرمول زیر قابل محاسبه است.

مقدار تبخیر (m³/h) = 0.00085 x 1.8 x سرعت جریان (m³/h) x (Tg—Tç)

مثلا؛

تلفات تبخیر در برجی که 100 متر مکعب آب در ساعت را از دمای 40 درجه سانتیگراد تا 30 درجه سانتیگراد خنک می کند به شرح زیر است:

مقدار تبخیر (m³/h) = 0.00085 x 1.8 x 100 x 1.53 m3/h

در برج های خنک کننده به غیر از افت تبخیر، دریفت قطرات ذکر شده است. در یک برج خنک کننده با طراحی مناسب، دریفت قطرات آب ناچیز است.

از آنجایی که برج خنک کننده آبی دستگاهی است که با توجه به دمای حباب مرطوب کار می کند، دمای آب سرد مورد نظر دارای یک حد معینی است. این محدودیت که دمای حباب تر است، راندمان دمایی تا 3 درجه را فراهم می کند. بنابراین طراحی کولینگ تاور با توجه به شرایط دمایی فصل تابستان انجام می شود. برج های خنک کننده فایبرگلاس که به طور ویژه برای هر مکان طراحی می شوند و سیستم کاری آن مشخص می شود، با کارایی متفاوت خود پاسخگوی نیاز کسب و کار شما خواهد بود. به همین دلیل ، شما نیاز به پشتیبانی ویژه برای سیستم های خنک کننده و برج ها دارید.

جنس بدنه انواع برج خنک کننده:

 برج ها می توانند از مواد مختلفی به شرح زیر ساخته شوند:

    برج خنک کن بتن مسلح

    برج خنک کن چوبی

    برج خنک کننده فایبرگلاس

    برج خنک کن گالوانیزه

 برج های استاندارد معمولا از فولاد گالوانیزه یا صفحات فایبرگلاس ساخته می شوند. استفاده از ورق گالوانیزه روکش شده با رنگهای ضدخوردگی در برج های فلزی کافی نیست. برای مقاومت در برابر خوردگی، باید از برج های ساخته شده از ورق فلزی مخصوص فرآوری، رنگ شده و روکش شده استفاده کرد. در شرایط جوی خورنده و مرطوب استفاده از برج خنک کن فایبرگلاس توصیه می شود. 

عوامل اصلی منجر به خوردگی، رسوبات و تشکیل باکتری در برج خنک کننده:

مقدار pH پایین آب در گردش می تواند منجر به خوردگی در اجزا و قطعات داخلی سیستم کولینگ تاور شود و اگر بالاتر از مقدار معینی باشد، باعث تشکیل رسوبات و تشکیلات میکروبیولوژیکی می شود. به همین ترتیب، در مناطقی با سرعت خطی کم آب خنک کننده در سیستم، احتمال ذرات معلق باعث ایجاد رسوب بیشتر از مناطق با سرعت خطی بالا است. از طرفی سرعت خطی بالا به تنهایی عاملی است که باعث خوردگی در سیستم خنک کننده می شود. 

مقدار pH آب؛

از آنجایی کهاین مورد یکی از مهم ترین معیارهایی است که آب حمل می کند، باید بسیار دقیق رعایت شود. pH را می توان با در نظر گرفتن لگاریتم (-) یون های H+ در آب به طور خلاصه تعریف کرد. با کاهش مقدار pH آب، مقدار اسیدیته آب افزایش می یابد، بنابراین خاصیت خورندگی پیدا می کند. و می تواند پکینگ های برج خنک کننده را زودتر خراب کند. علاوه بر این، با افزایش یون های OH- در سطوح pH مانند 12-13، خواص خورندگی اولیه را به دست می آورد. در محدوده pH 8.0-10.0 با افزایش مقدار قلیائیت، راه را برای تشکیل بلورهای کلسیم و چسبندگی آنها به سطوح حرارتی هموار می کند.

ارزش رسانایی آب؛

مقدار رسانایی با مقدار یون های حل شده در آب نسبت مستقیم دارد. یون های حل شده در آب با اثر تبخیر در برج خنک کننده متمرکز می شوند و غلظت بیش از حد آب باعث تبلور و بارش می شود. تغلیظ کمتر از حد لازم نیز مقرون به صرفه نیست زیرا نیاز به تغذیه بیش از حد از بازدارنده های شیمیایی دارد. مقدار رسانایی آب نیز مهمترین عامل افزایش خوردگی در قطعات کولینگ تاوراست.

مقدار سختی آب برج خنک کننده ؛

مقدار کل یون‌های کلسیم و منیزیم در آب خنک‌کننده عملاً مقدار کل سختی را نشان می‌دهد. بی کربنات کلسیم Ca(HCO3)2 در آب به شکل CaCO3 روی سطوح کندانسور که تبادل حرارتی ایجاد می شود و تجمع می یابد، تبدیل می شود. هنگامی که کریستال های کلسیت تشکیل می شوند، این کریستال ها به عنوان عایق عمل می کنند و راندمان تبادل حرارتی را تا 15 درصد کاهش می دهند.

جامدات معلق؛

به طور کلی مهمترین عامل ایجاد آلودگی در سیستم های خنک کننده ذرات جامد آلی یا معدنی حل نشده در آب است. از آنجایی که میزان مواد معلق در آب های سطحی مانند نهرها، دریاچه ها و دریاها زیاد است، نباید بدون تصفیه به سیستم داده شود. علاوه بر این، گرد و غبار و ذرات آلی می توانند از بیرون وارد برج های خنک کننده شوند که باعث ایجاد آلودگی در سیستم می شود.