نحوه عملکرد کولینگ تاور (برج خنک کننده)

کولینگ تاور چیست ؟

کولینگ تاور (Cooling Tower) دارای مکانیزم تقریبا ساده ای است که در این متن مکانیزم عملکرد برج های خنک کننده را به تفصیل بیان می کنیم و روش کار آن را از زوایای مختلف بررسی می کنیم. این دستگاه کاربرد زیادی در صنعت به عنوان یک دستگاه خنک کننده آب دارد که در واقع نوعی مبدل حرارتی محسوب می شود.

در پاسخ به سوال کولینگ تاور مکعبی چیست می توان گفت که کولینگ تاور یا همان برج خنک کننده دستگاهی است که طی یک فرآیند مبادله گرمایی بین آب داغ و هوای خنک (در نتیجه ی برخورد مستقیم ذرات آب داغ با هوا) گرمای بیش از حد آب را به هوا انتقال داده تا درجه حرارت آب کاهش یافته و مجددا به منظور خنک کاری دستگاه صنعتی یا چیلر مورد نظر ارسال و مورد استفاده قرار بگیرد. در پاسخ به سوال کولینگ تاور چیست از نگاهی دیگر می توان گفت که نوعی مبدل حرارتی تماس مستقیم است که هدف آن کاهش دمای آب توسط هوا است.

قیمت برج خنک کننده هیبریدی: مکانیزم عملکرد برج های خنک کننده به این شکل است که یک پمپ ، آب را که در فرآیندی صنعتی و یا کندانسور دستگاه تهویه مطبوعی مانند چیلر ، داغ شده است را با لوله کشی به یک شبکه لوله ای در بالای برج پمپاژ می کند و نازل های موجود در این شبکه لوله ای ، آب را با فشار (تقریبا فشار کم) بر روی یک قطعه به نام پکینگ که سطح زیادی دارد پاشش می کنند. پکینگ سرعت آب را کاهش داده و آب کم کم بر اثر نیروی گرانش به سمت پایین حرکت می کند.

در همین موقع ، هوا که به وسیله یک یا چند فن بزرگ موجود در بالای برج ، از پایین به سمت بالا کشیده شده (در خلاف جهت حرکت آب) ، بر روی سطوح پکینگ با آب داغ تماس فیزیکی پیدا می کند و آب داغ در اثر برخورد مستقیم با هوا ، حرارت خود را به هوا می دهد. در نتیجه آب سرد شده و در تشتک کف برج جمع و از همان جا خارج می شود. آب خارج شده به مدار فرآیند صنعتی یا دستگاه چیلر مورد نظر ارسال شده و حرارت اضافی آن را می گیرد تا مجددا به کولینگ تاور پمپاژ شود و سیکل ادامه پیدا کند. هوا نیز پس از گذر از فن وارد اتمسفر می گردد.

بنابرین مکانیزم عملکرد برج های خنک کننده بر اساس تبادل حرارت مستقیم از آب به هوا استوار است. مکانیزم عملکرد برج های خنک کننده از لحاظ دیگر مانند نحوه ورود هوا و آب نیز قابل بررسی است که در کل ، روش کار برج خنک کننده در همه مدل ها تقریبا شبیه یکدیگر است.

استفاده از مبدل حرارتی هوا خنک

چون بخشی از آب در اثر برخورد با هوا تبخیر می شود باید مقداری آب به شکل دائم به مدار آن اضافه گردد و به مرور زمان مواد معدنی و حل نشدنی موجود در مدار افزایش یافته و پس از مدتی و به صورت دوره ای ، این آب باید تخلیه و کولینگ تاور پاکسازی دوره ای شود تا از رشد جلبک و آلودگی ها در آب جلوگیری شود. اگر استفاده از کولینگ تاور در مکانی از نظر بهداشتی قابل قبول نباشد می توان از انواع دیگر مبدل های حرارتی مانند مبدل حرارتی هوا خنک (برج خنک کننده متقاطع خشک یا هوا خنک – درای کولر) استفاده نمود که در این مدل ها مسئله تبخیر آب نیز وجود ندارد زیرا هوا و آب برخورد مستقیم نخواهند داشت و از جداره لوله ها و صفحات ، انتقال حرارت بین آن دو صورت می گیرد.

بنابرین با روش کار برج خنک کننده آشنا شدیم و به مهمترین معایب آن از جمله تبخیر آب و ایجاد آلودگی توسط آب موجود در آن پی بردیم و سیستم های جایگزین را نیز معرفی کردیم. البته باید به این نکته نیز توجه کرد که قیمت اولیه کولینگ تاور نسبت به با ظرفیت مشابه کمتر خواهد بود و شاید این دلیلی بر استفاده از آن در اماکنی که آب فراوان در دسترس است باشد.

چگونگی عملکرد برج خنک کننده بر اساس تبخیر بوده که وابسته به نوع کولینگ تاور، نحوه کارکرد آن تفاوت دارد و با طرز متفاوتی آب را خنک می‌کند. طرز کار برج های خنک کننده از طریق ارتباط بین آب و هوا صورت می‌پذیرد و نحوه تماس این دو سیال وجه تمایز نحوه کارکرد برجهای خنک کن است. در بررسی اساس عملکرد برج خنک کن باید بسته یا باز بودن مدار سیستم خنک کاری آب دقت ویژه نمود. به بیانی ساده تر کولینگ تاور با تماس مستقیم تحت یک سامانه باز یا غیر مستقیم تحت سامانه ای بسته، کار خود را صورت می‌دهد. در برج خنک کننده فارغ از مدل به هر میزان جریان هوادهی بیشتری در تماس با آب داغ قرار گیرد، انتقال حرارت هم  انجام می‌شود.

کار برج خنک کننده چیست؟

کار و وظیفه یک برج خنک کننده هدایت گرمای آب داغ به هوای خشک محیط اطراف توسط درصد کمی تبخیر است. این انتقال گرما در برج خنک کن با هدف کاهش دمای آب خروجی صورت می گیرد. دمای آب خارج شده از یک کولینگ تاور همواره کمی بالاتر از دمای مرطوب آن منطقه یعنی حباب تر می باشد. مثلاً برای شهری مثل تبریز که دمای مرطوبش حدود 17 درجه است، یک برج خنک کن می تواند آب را در تابستان تا 20 درجه سانتیگراد هم خنک نماید. در تصویر طرز کار برج های خنک کننده جریان متقاطع را به عنوان نمونه مشاهده می‌کنید.

کارکرد درست برج خنک کننده در کاربری خود زمانی مشخص خواهد شد که دمای خروجی نزدیک ترین میزان خود به دمای وت بالب را پیدا نماید. در واقع کار اصلی یک کولینگ تاور سرد کردن آب جهت دفع گرمای مازاد تجهیزات به محیط بیرون است. برج خنک کن بر اساس قوانین ترمودینامیک کارکردی بسیار شبیه به یک کولر تبخیری دارد. در کولر هوا از طریق تماس با آب پاشش بر روی پوشالها رطوبتش افزایش یافته و خنک تر می شود و حال این عملکرد در برج های خنک کن معکوس است.

چگونه از عملکرد درست برج خنک کننده مطمئن شویم؟

پاسخ به این سوال کلیدی کمک بسیاری به چک کردن محاسبات صورت پذیرفته برای ظرفیت برودتی کولینگ تاور خواهد کرد. به بیانی ساده تر اگر بخواهیم بفهمیم که برج خنک کننده ای که کار خود را انجام می دهد تا چه میزان کارکرد مطلوب دارد باید شاخص هایی را تعریف نمود. اصلی ترین شاخصه های بررسی نحوه کار برج خنک کن عبارتند از:

• نزدیکی 3 تا 5 درجه ای دمای خروجی آب سرد به دمای وت بالب منطقه نصب دستگاه
• افت دمای 5 الی 10 درجه ای آب در منیفولد ورودی و خروجی برجهای خنک کن
• شدت صوت خروجی ماکزیمم 80 دسیبل در فاصله 1 متری از تجهیز

هر یک از پارامترهای فوق اگر در خروجی کار برج خنک کننده اتفاق نیافتد به معنی بروز مشکل در کارکرد یکی از بخشهای داخلی یا کمبود ظرفیت طراحی شده است. به طور مثال اگر لرزش و صدای تولید کولینگ تاور بیش از حد استاندارد باشد عوامل مختلفی دخیل بر کار بوده و همگی حاکی از عدم کیفیت تولید برج خنک کن است. در مجموع ملاک های بسیاری جهت محک زدن چگونگی کارکرد یک برج وجود دارد که بکارگیری آنها در نتیجه گیری خالی از لطف نیست.

چگونگی کارکرد انواع برج های خنک کننده

1-مقایسه کارکرد انواع برج خنک کن بر اساس نوع جریان هوادهی

در این قیاس برجهای خنک کن به سه دسته اتمسفریک، جریان اجباری محوری و جریان القایی حلزونی تقسیم می شوند. برج های خنک کننده امروزه نسبت به نحوه چگونگی انجام کار خنک کاری آب توسط هوا به دسته بندی هوای اجباری و هوای طبیعی تقسیم می شوند. در واقع اگر یک کولینگ تاور با جریان طبیعی هوای اتمسفر محیط آب را سرد کند به آن اتمسفریک می گویند. در صورت استفاده از فن یا پروانه در جریان انتقال سیال هوا به برج خنک کننده، جریان اجباری یا القایی اطلاق می شود. در تصویر زیر نحوه چگونگی عملکرد و طرز کار انواع کولینگ تاورهای مذکور نمایش داده شده است.

2-مقایسه کارکرد برج های خنک کننده بر اساس نوع زاویه جریان هوا

در این تمایز کولینگ تاورها با توجه به نوع نحوه برخورد هوا با آب به دو دسته کانترفلو و کراس فلو تقسیم میگردند. برجهای خنک کن کانترفلو که به آنها جریان مخالف نیز گفته می شود امروزه بیشترین کاربرد را در میان انواع این منبع برودتی پیدا کرده است. در این مدل هوای خشک و خنک از چهار طرف دستگاه از قسمت زیرین وارد شده و از پایین به سمت بالا (خلاف جهت ریزش آب) گذر می کند.

در برج های خنک کننده کراس فلو یا جریان متقاطع هم هوا تحت زاویه عمود بر آب ریزشی جریان می یابد. نتیجه هر دو عمل تماس آب داغ ریزشی با جریان هوای مکشی است ولی تفاوت در روش این کار موجب بروز یک سری مزایا و معایب در هر مدل گردیده است. در تصویر زیر علاوه بر دیدن نحوه کار برج خنک کننده می‌توانید مقایسه ای از عملکرد هر دو تیپ را مشاهده کنید.

3-مقایسه کارکرد انواع برج خنک کننده بر اساس نوع مدار گردشی آب

چنانچه قصد کنیم به طور خلاصه کولینگ تاورها را بر اساس طرز خنک کردن آب دسته بندی کنیم دو ساید مدار باز و مدار بسته را سریعاً می توان انتخاب کرد. برج های خنک کننده مدار بسته با تماس غیر مستقیم بین آب گرم با هوای خشک و سرد موجب کاهش دمای آب درون کویل می گردد.

این در حالی است که در برجهای خنک کن مرطوب یا باز عمل ارتباط هوای اطراف با اب مستقیماً انجام می پذیرد. خروجی هر دو کار کاهش میزان معینی دمای آب بوده ولی چگونگی این عملکرد سبب تمایز اصلی بین این دو مدل می گردد. در تصویر زیر نحوه کارکرد یک دستگاه برج خنک کننده فایبرگلاس را مشاهده می نمایید