برج خنک کننده دماگستر

برج خنک کن یا کولینگ تاور که در زبان انگلیسی به Cooling Tower مطرح می باشد عملاً دستگاه سرد کننده آب می باشد . این دستگاه در بیشتر صنایع به عنوان یک منبع برودت و کاهش دمای آب مورد بهره قرار گرفته می شود . برج خنک کننده در زبان مهندسی دستگاهی است که تبدیل کننده حرارت از آب به هوا به شمار می آید . این مبدل بزرگ صنعتی وظیفه جابجا کردن گرما از آب گرم به هوای محیط را انجام می دهد . مبدلهای دیگر صنعتی نیز همانند چیلر ، کندانسور هوایی ( درای کولر ) و کندانسورهای تبخیری همانند برج خنک کننده از هوای اطراف به عنوان منبعی قابل تجدید جهت دفع حرارت استفاده می کنند . تفاوت کولینگ تاور با سایر مبدلها در سیستم سرمایشی و چگونگی خنک کردن آب است . جایی که برج خنک کننده یا کولینگ تاور با بهره گیری از بخارشدن قطرات آب باعث کاهش دمای باقی آب موجود می شود . در بیانی ساده تر برج خنک کن با مصرف کردن کمی آب و با اتلاف آن در فرآیند تبخیر سبب ایجاد برودت می گردد .

نحوه کارکردن برج خنک کننده در کاهش دمای آب

گرمای مورد نیاز برای تبخیر آب از خود آب تغذیه می شود . فرض کنید تعدادی از قطرات آب برای خنک تر شدن باقی جریان آب تلف شوند . گرمای مورد نیاز جهت شکسته شدن پیوندهای ملکولی آب از جریان اصلی آب گرفته شده و جریان اصلی آب با از دست دادن انرژی خود دچار افت دما می شود . افت دمای حاصل شده در برج خنک کننده وابسته به میزان جریان اصلی آب است . به جریان اصلی آب در کولینگ تاور آب در گردش یا آب مدار کولینگ نیز گفته می شود . به هر میزان آب بیشتری در برج خنک کننده وارد نماییم تبخیر و انتقال حرارت بیشتری اتفاق می افتد . تبخیر آب سبب افزایش رطوبت محیط و در حالت ایده آل سبب اشباع شدن هوا ( رسیدن رطوبت محیط به 100 درصد ) می شود . با رسیدن هوا به حالت اشباع دمای هوا تا دمای وت بالب کاهش می یابد . ( دمای وت بالب یا حباب تر : دمای هوا با ماکزیمم رطوبت نسبی در نمودار سایکرومتریک )

فاکتورهای اصلی طراحی برج خنک کننده

الف ) توان سرمایی و ظرفیت برج خنک کننده

میزان گرمایی که از آب می گیریم در اصل قدرت و توان برج خنک کننده در دفع حرارت می باشد . به این قدرت دفع حرارت یا ایجاد برودت ظرفیت سرمایی یا ظرفیت برودتی گفته می شود . واحد سنجش و معیار اصلی مقایسه بین دستگاه های برودتی همانند چیلر ، ایرکولر و برج خنک کننده نیز همین پتانسیل سرمایی است . پتانسیل سرمایی یک برج خنک کننده میزان انرژی است که از آب توسط هوای محیط دفع می شود . این هدایت گرما از آب به هوا به هر میزان که آب بیشتری در چرخش باشد یا افت دمای بیشتری حاصل گردد بیشتر خواهد بود . پتانسیل سرمایی ملاک اصلی انتخاب برج خنک کننده یا کولینگ تاور می باشد که با واحد SI معادل KW بیان می شود . یکای اصلی ظرفیت برودتی براساس تن تبرید یا تن سرمایی نیز بیان می شود . هر تن برج خنک کننده می تواند گرمایی معادل سرد سازی 2.628 گالن بر دقیقه آب را با اختلاف دمای 9 درجه فارنهایت فراهم آورد . یک برج خنک کننده 100 تن قادر خواهد بود که میزان 268 gpm آب را با اختلاف دمای 5 درجه سانتیگراد سرد نماید .

ب ) دمای آب سرد خارج شده از برج خنک کننده

دمای آب سرد خارج شده وابسته به دمای حباب تر یا وت بالب محیط جو است . محیط جو در شهرها و مناطق مختلف ایران متفاوت می باشد . به عنوان نمونه در شهر یزد دمای وت بالت معادل حدودی 17 درجه است و در شهر ماهشهر ( در استان خوزستان ) دمای وت بالب محیط 28 درجه می باشد . به هر میزان هوای محیط اطراف رطوبت بیشتری داشته باشد دمای حباب تر نیز بیشتر خواهد بود . برای شهرهای حاشیه خلیج فارس در طراحی برج خنک کننده رطوبت نسبی محیط به شدت بالا می باشد . بالا بودن دمای حباب تر این موضوع را یادآوری می کند که برج خنک کننده در این منطقه قابلیت کمتری در سرد کاری آب دارد و باید ضرایب تاثیر بزرگتری جهت انتخاب و طراحی سیستم سرمایشی مد نظر قرار دهیم . دمای آب سرد خارج شده تا میزان مشخصی می تواند به دمای وت بالب نزدیک شود . به این اختلاف دمای آب سرد خروجی با دمای حباب تر محیط ، آپروچ (approach) یا دمای تقرب گفته می شود . کمترین میزان اپروچ کولینگ تاور در طراحی 2.85 درجه سانتیگراد می باشد .

ج ) دمای آب داغ وارد شده به برج خنک کننده

دمای آب داغ ورودی نیز همانند سایر فاکتورهای طراحی نیز از محدودیتهایی برخوردار است . دمای آب گرم وارد شده به هر میزان بیشتر باشد میزان تبخیر آب نیز بیشتر خواهد بود . دمای آب گرم به برج خنک کننده باید در محدوده مجاز طراحی داخلی قرار داشته باشد . دمای کاری قطعات داخلی همانند پکینگ ، قطره گیر ، ساپورتها و سایر اجزا تاثیر بسزایی در تعیین نمودن دمای آب داغ دارد . به عنوان مثال پکینگ مدیای پی وی سی تنها تا دمای 55 درجه قابلیت تحمل دما را دارد . پس اگر در قطعات داخلی برج خنک کننده از پکینگهای پی وی سی استفاده کنیم نباید دمای آب داغ بیشتر از 55 درجه باشد . تخطی و عبور دمای آب گرم از این عدد سبب دفورمه شدن پکینگ مدیا و کاهش شدید راندمان می شود .

د ) اختلاف دمای آب در برج خنک کننده

اختلاف دمای آب در مدار اصلی فاکتور اصلی و موثر در ظرفیت سرمایی برج خنک کننده می باشد . اختلاف دمای حاصل شده در کارکرد برج خنک کننده تحت عنوان دلتاتی نیز شناخته می شود . ثمره یک کارکرد یک کولینگ تاور حصول به دلتاتی بیشتر می باشد . پارامتر دلتاتی یا اختلاف دما در اصطلاح مهندسی رنج (range) نام دارد . میزان رنج یا اختلاف دمای آب در سیکل چرخشی خود در کولینگ تاور محدودیتهایی نیز دارد . به عنوان نمونه شما نمی توانید در یک برج خنک کننده بین آب داغ وارد شده و آب سرد خارج شده میزان افت دمای 30 درجه ای داشته باشید . میزان استاندارد و نرمال افت دما یا نرمال رنج طراحی برج خنک کننده معادل 7 تا 10 درجه سانتی گراد در نظر گرفته می شود . به هر میزان دمای آب داغ و گرم به دمای مرطوب نزدیک تر باشد میزان افت دما نیز کمتر خواهد بود . افت دمای طراحی در بیشتر مشاوره های مهندسی در صنعت و تهویه مطبوع در حالت ایده آل 5 درجه سانتیگراد می باشد .

ه ) نرمال دبی برج خنک کننده

میزان آبی که یک برج خنک کننده می تواند در سیستم پاشیدن آب وارد نماید نباید از حد مجازی در هر دستگاه با ظرفیت معین بیشتر باشد . برای یک دستگاه 100 تن میزان آب مجاز یا همان دبی اسمی معادل 328 جی پی ام می باشد و برای یک برج خنک کننده 200 تن این مقدار تا 770 نیز مجاز خواهد بود . به میزان حد مجاز آب ورودی به برج خنک کننده دبی اسمی گفته می شود و یک سازنده کولینگ تاور این عدد را در اختیار کارپرداز قرار می دهد . دبی اسمی یک پارامتر مهم پس از طراحی می باشد که باید در هنگام نصب و راه اندازی سیستم سرمایشی مورد نظر قرار گیرد . نرمال دبی اسمی را در کاتالوگ سازندگان برج خنک کننده می توانید پیدا کنید .

و ) میزان آب مصرفی در برج خنک کننده

میزان از دست رفتن آب در طی فرآیند سرد کاری جریان اصلی و کاهش دمای محسوس آب را آب جبرانی یا آب مصرفی می نامیم . میزان آب مصرفی برج خنک کننده از طرایق مختلف از بین می رود . بخش اعظم مصرف آب صرف تبخیر می شود که این میزان معادل با 1.5 درصد آب در گردش یا دبی می باشد . بخش دوم مصرفی صرف جریان تخلیه زیرآب یا بلودان می گردد و بخش اندکی نیز از طریق مکش یا دمش فن به بیرون پرت می شود که به آن Drift یا پرتاب قطره های آب می گویند . جمع هر سه فاکتور معادل با آب جبرانی یا مصرفی نامیده می شود که فراهم کردن آن در فصول مختلف از جمله شرایط طراحی است که باید در نظر گرفت . کاهش مصرف آب در نسل جدید برج های خنک کننده هدف اصلی سازندگان و تولیدکنندگان این عرصه می باشد .

توضیحات بیشتر در محاسبات برج خنک کننده

مشخصات اصلی و مهم برج خنک کننده

اولین فاکتور خروجی یک طراحی مهندسی مشخص نمودن شاخصه های خروجی دستگاه طراحی شده است . در طراحی یک برج خنک کننده پس از در نظر گرفتن فاکتورهای اصلی و مهم در طراحی باید جزئیات را نیز مشخص نمود و سپس وارد مرحله تولید شد . جزئیات طراحی شامل آیتم های مهمی می باشد .

مشخصات اصلی برج خنک کننده پس از طراحی و قبل از تولید :

• ظرفیت برودتی یا توان سرمایشی

• ابعاد و اندازه کولینگ تاور

• میزان حجم هوادهی و انتخاب نوع سیستم هوادهی

• انتخاب توان و قدرت الکتروموتور جهت ایجاد هوادهی مورد نیاز

• سایز اتصالات ورودی و خروجی

• نوع متریال بکار رفته در تجهیزات داخلی همانند پکینگ و قطره گیر و ...

• انتخاب نوع و مدل برج خنک کننده

طبقه بندی کلی انواع برج خنک کننده

1. برج خنک کننده مدار باز : مدل مدارباز یا در اصطلاح عامیانه مرطوب سیستم خنک کاری آب با تماس مستقیم می باشد که دارای مصرف آب معین می باشد .

• 1-1 مدارباز مکعبی جریان مخالف که در آن هوا در خلاف جریان آب حرکت می کند .

• 1-2 مدارباز مکعبی جریان متقاطع که در این تجهیز هوا عمود بر جریان آب هدایت می شود .

• 1-3 مدارباز مدور جریان مخالف که به واسطه ظاهر استوانه ای خود معروف می باشد .

1. برج خنک کننده مداربسته : نوع مداربسته با ایجاد یک سطح نفوذ حرارت توسط کویلهای مسی و تماس غیرمستقیم هوا سبب کاهش دمای آب در این منبع برودتی می شود .

2. برج خنک کننده ترکیبی : ترکیبی از یک مدار بسته با یک مدار باز در کولینگ تاور که سبب سرد تر شدن آب توسط یک سیکل ترکیبی ( آب و هوا به صورت همزمان ) می شود .

مزایای مهم برج خنک کننده ترکیبی

• کاهش رسوب پذیری مبدل دستگاه های گرما زا

• کاهش خوردگی و زنگ زدگی در مدار اتصالات

• افزایش کیفی آب در گردش و افزایش نسبی راندمان خنک کاری

• کاهش میزان تبخیر و مصرف آب

اجزای اصلی برج خنک کننده

• سیستم توزیع آب شامل افشانک ها ، آب پخش کن ، فلنچ های ورودی و خروجی، لوله و اتصالات جانبی

• سیستم توزیع هوا شامل پروانه یا فن ، بلبرینک ، فولی فن ، تسمه ، شافت ، فولی موتور و الکتروموتور یا الکتروگیربکس

• بخش سطوح انتقال گرما یا فیلم ها یا اصطلاحاً پوشال یا پکینگ

• بخش دریفت المیناتور یا شبنم گیر که تله ای جهت برگرداندن قطرات آب به پایین می باشد .

• ساپورتهای نگهدارنده پکینگ و قطره گیر

• ساپورت نگهدارنده شاسی موتور

• ریل متحرک موتور جهت تنظیم تسمه ها

• هرزگرد به منظور مهار ضربات موتور

• دسته موتور به منظور کاهش لرزش پروانه و کولینگ تاور

• بدنه و فریم اصلی که شامل بخشهای مختلف لوور - فن دک - تشت و ستونی می باشد .

• توری محافظ ورود اشیاء خارجی به فن

• شناور یا پرکن که وظیفه تنظیم جریان آب جبرانی را عهده پذیر است .

• کویل یا شبکه های لوله ای که در انواع سیکلهای مداربسته و ترکیبی بکار می رود و سطح معینی را جهت نفوذ انرژی فراهم می آورد .

تقسیم بندی انواع برج خنک کننده براساس جریان هوا

برج خنک کننده جریان طبیعی : از جریان آزاد هوا جهت ورود به دستگاه استفاده می شود . قالباً برجهای بتنی با ورودی هوا از پایین در صنعت در دسته بندی برجهای خنک کننده اتمسفریک یا جریان آزاد می باشد .

برج خنک کننده جریان القایی : اکثر طراحی های مربوط به سیستم های برودتی با سیستم جریان القایی یا اجباری در صنعت انجام می پذیرد . سیستم های جریان اجباری خود به سه دسته مهم تقسیم میگردد .

• القایی نوع مکنده با پروانه محوری ( آکسیال )

• القایی نوع دمنده با فن محوری

• القایی نوع دمنده با فن حلزونی ( سانتریفوژ )

مزایای برج خنک کننده جریان القایی

• افزایش میزان جریان هوای در گردش

• افزایش راندمان

• کاهش دمای آب خارج شده

• افزایش میزان حجم آب خنک کاری

• کاهش ابعادی دستگاه با افزایش یافتن راندمان

انواع کولینگ تاور بر اساس جنس فریم بدنه

• برج خنک کننده سیمانی :

دارای بدنه سیمانی و بتنی بوده و عملاً بعد از ساخت سازه عمرانی تجهیزات جانبی روی آن نصب می شود .

• برج خنک کننده آهنی :

دارای پنلها و دیواره های فلزی از جنس آهن سفید یا گالوانیزه می باشد . در بیشتر ظرفیت های کوچک کولینگ تاور بدنه از جنس فلز یا گالوانیزه گرم استفاده می شود .

• برج خنک کننده کامپوزیتی :

کامپوزیت ها یا اصطلاحاً فایبرگلاس یا فایبرگلس امروزه بدنه بسیاری از انواع سیستم های سرمایشی را شامل می شود . برجهای خنک کننده فایبرگلاس دارای بدنه ای ضد رسوب و ضد خوردگی و یا ضد اسید و ضد نفوذ گرما می باشد .

مزایای برج خنک کننده کامپوزیتی

• راحتی نصب و تولید

• زمان تولید بسیار کم

• دسترسی آسان به اجزای داخلی

• عدم رسوب پذیری در برابر آب واملاح موجود در آن

• عدم خوردگی در برابر آبها با اسیدیته بالا

• عدم زنگ زدگی و تشکیل سولفاتهای فلزی دردسر ساز در مدار آب

• کاهش شدید لرزش بدنه به دلیل استفاده از فایبرگلاس

• عدم نفوذ پذیری از گرمای تابشی نور خورشید

• بدون آفتاب سوختگی و دارای بدنه کاملاً آنتی یووی

نصب و راه اندازی برج خنک کننده

عملیات نصب و استارت اولیه هر دستگاه و ماشین صنعتی نیازمند رعایت اصول اولیه است . اصول اولیه و مهم نصب و راه اندازی توسط تولیدکننده و سازنده تحت نام دفترچه راهنمای نصب ارائه می شود . هر دفترچه نصب حاوی مطالب مفید و ارزنده ای از نحوه لوله کشی ، نحوه برق کشی ، نحوه اتصال ، جزئیات محل قرارگیری و ... می باشد . رعایت این اصول در هنگام نصب می تواند فواید زیادی داشته باشد .

مهمترین فواید نصب صحیح برج خنک کننده

• کاهش میزان خرابی قطعات داخلی

• کاهش یافتن میزان رسوب در کولینگ تاور و مبدلهای حرارتی

• تعمیر و نگهداری یا سرویس راحت و آسان

• افزایش راندمان و کارایی

• کاهش مصرف انرژی برق و آب

مهمترین اصول در نصب و راه اندازی برج خنک کننده

• تراز بودن محل نصب

• عدم نصب بر روی زمین

• نصب صحیح بر روی فنداسیون

• رعایت فاصله جانبی دستگاه تا سایر دستگاه ها و دیوارها

• استفاده از دستگاه های تصفیه در مدار آب جبرانی

• بکارگیری اتصالات و لوله کشی ها انبساطی و فلنچی

• استفاده از لرزه گیر در دستگاه و در پایپینگ جانبی

• پمپ سیرکولاتور حتما در شرایط مناسب نصب شود تا دچار کاویتاسیون نگردد .

• جنس لوله های رفت و برگشت مدار از نوع فلزی با عایق مناسب در نظر گرفته شود .

• قطعات جانبی کولینگ تاور را قبل از راه اندازی یکبار حتماً چک نمایید .

• بدون استارت موتور به منظور بررسی سیکل چرخش آب ابتدا مدار لوله را آبگیری و تست نمایید .

• پس از تست آبگیری و راه اندازی پمپ ، الکتروموتور فن را روشن نمایید .

نگهداری و سرویس برج خنک کننده

فرآیند سرویس دوره ای یکی از اصلی ترین وظایف واحد تاسیسات یک کارخانه صنعتی یا ساختمان می باشد . دستگاه های مورد استفاده در بخش تاسیسات مخصوصاً سیستم های برودتی همواره باید به صورت مداوم مورد سرویس توسط اپراتور یا شرکت متخصص قرار گیرد . سرویس برج خنک کننده می تواند شامل بخشهایی از شستشو ، روغن کاری ، تنظیم بالانس و عایق کاری داخلی باشد . انجام منظم سرویس تاثیر بسزایی در عمر قطعات جانبی دارد و از بروز مشکلات بزرگتر جلوگیری می نماید .

اصول اصلی نگهداری و محافظت از برج خنک کننده

• روغن کاری و گریس کاری منظم بخشهای دارای بلبرینگ همانند کاهش دور ، اسپرینکلر و هرزگرد

• تنظیم بالانس استاتیکی فن به صورت دوره ای

• شستشو پکینگ ها ، نازل ها و لوله های جانبی با اسید بایوساید و یا با جت آب

• عایق کاری لوله ها و اجزای فایبرگلاس داخلی پس از مدت معین

• استفاده از سیستم کاهش دور با دور متغیر یا VFD Control با بکارگیری درایو اینورتر

• تعویض و احیا منظم رزین سختی گیر رزینی در مدار آب جبرانی

• تنظیم منظم جریان زیرآب

• بازرسی دائمی و دوره ای از کارکرد صحیح تجهیزات داخلی

نحوه جلوگیری از یخ زدگی در زمستان در برج خنک کننده

به منظور جلوگیری از فریز یا یخ زدن آب درون تشت کولینگ تاور در فصول سرد عموماً دو راهکار اساسی پیشنهاد می گردد . راهکار ابتدایی در رفع یخ زدگی و ایجاد انجماد در سیستم های سرمایشی افزودن میزان معینی از محلول ضد یخ در آب گردشی به منظور کاهش نقطه انجماد آب و راهکار ثانویه استفاده از سیستم آنتی فریز هوشمند مجهز به سنسور و هیتربرقی که به صورت خودکار در فصول سرد سبب جلوگیری از فریز شدن و یخ زدن می شود . راهکار دوم هزینه بیشتری به طبع در هنگام تولید برج خنک کننده دارد ولی باید در نظر گرفت با استفاده از راهکار دوم هزینه های جاری نگهداری از سیستم های برودتی به شدت کاهش می یابد . راهکار اول نیز در بیشتر مواردی که سیستم از نوع بسته یا کلوز باشد کاربرد دارد و در این راهکار باید دقت نمایید که ظرفیت برودتی و جذب گرما در سیال مخلوط با اتیلن گلیکول ( ضد یخ ) کاهش می یابد که این موضوع سبب کاهش راندمان می گردد . بنابراین راهکار دوم مزیتهای بیشتری نسبت به راهکار اول در طراحی و بکارگیری سیستم های برودتی همانند برج خنک کننده دارد .

سخن آخر : اگر بدنبال انتخاب و طراحی سیستم های برودتی همانند برج خنک کننده در نظر داشته باشید که این تجهیز را یکبار اصولی خرید نمایید و تا سالیان دراز مورد کاربری قرار دهید . انتخاب عجولانه و مشاوره با شرکتهای غیر مهندسی سبب لطمات بسیاری در فرآیند طراحی و تولید سیستم های برودتی بوجود می آورد . شرکت دماگستر حاضر است کلیه فرآیند طراحی و محاسبات برج خنک کننده را به صورت رایگان برای شما انجام دهید .

با انتخاب صحیح یکبار هزینه کنید و سالها استفاده کنید .