وظیفه برج خنک کننده یا کولینگ تاور

برج خنک‌کننده وسیله‌ای برای دفع آب مورد استفاده در به از طریق با هوا است. برج‌های خنک‌کن معمولاً با آب، حرارت ایجاد شده در یک واحد شیمیایی را دفع کرده و را تا دمای حباب مرطوب هوا پایین می‌آورند؛ البته باید در نظر داشت در برخی از برج‌های خنک‌کن با چرخه بسته که به برج خنک‌کن خشک مشهور هستند، کاهش دمای سیال سرویس صرفاً تا دمایی نزدیک به دمای حباب خشک هوا امکان‌پذیر است.

به عبارت ساده‌تر، پکینگ برج خنک کننده سیستمی است که از آن به جهت خنک‌سازی آبی در فرایندهای سردسازی سیستم‌های تهویه مطبوع، پالایشگاه‌ها، نیروگاه‌ها و غیره استفاده می‌گردد.  از پکینگ گرید اسپلش در سیستم خنک‌کاری ، و سایر واحدهای شیمیایی مشابه، و سیستم‌های برای تهویه مطبوع ساختمان استفاده می‌شود. دسته‌بندی برج‌های خنک‌کن بر اساس نوع تماس هوا با آب صورت می‌گیرد؛ متداول‌ترین گونه‌های برج خنک‌کن بر اساس مکانیسم‌های جابه‌جایی طبیعی و جابه‌جایی اجباری تقسیم‌بندی می‌شوند.

از نظر ابعاد و اندازه، برج‌های خنک‌کن در مدل‌های کوچک پشت‌بامی برای ساختمان‌های مسکونی تا سازه‌هایی غول‌پیکر و (مانند برج‌های خنک‌کن نیروگاه‌ها که در شکل‌ها نشان داده شده‌است) که ارتفاع‌شان در حدود دویست متر و قطرشان در حدود یک‌صد متر می‌رسد، وجود دارند. همچنین نوعی از برج‌های خنک‌کن با شکل مستطیلی با ارتفاع تقریبی چهل متر و طول هشتاد متر نیز وجود دارد. در بیش‌تر موارد از برج خنک کننده کولینگ تاور استفاده می‌شود؛ هرچند که در برخی از واحدهای شیمیایی بزرگ و سایر واحدهای صنعتی نیز از آن‌ها استفاده می‌شود. در مقابل این برج‌های خنک‌کن عظیم‌الجثه که در صنایع خاصی به کار گرفته می‌شوند، اکثریت قریب به اتفاق برج‌های خنک‌کن تجهیزات کوچک هستند که در کنار واحدهای مختلف صنعتی یا مسکونی برای به کار می‌رود.

برج خنک کن (با جریان هوای متقاطع)

کاربرد برج‌های خنک‌کننده به ، آغاز و اختراع برای استفاده در برمی‌گردد. در چگالنده‌ها سیال شونده غالباً آب است؛ به این صورت که آب با گرفتن گرمای بخاری که از خروجی یا به چگالنده رسیده‌است، بخار را به حالت مایع تبدیل می‌کند. وجود این مرحله در چرخه موتور بخار باعث بخار خروجی می‌شود، ولی در عوض مصرف بخار و در نتیجه مصرف سوخت را کاهش می‌دهد و هم‌زمان سیستم را نیز بالا می‌برد. البته باید در نظر داشت که چگالنده‌ها در عمل نیاز به برج خنک‌کن به نسبت بزرگی دارند و در صورت عدم وجود برج خنک‌کننده، استفاده از آن‌ها اقتصادی نیست؛ چرا که هزینه‌های فراهم کردن آب بیش از سرمایه ذخیره شده از صرفه‌جویی انرژی می‌شود.

فارغ از موتورهای آبی که فراهم کردن آب هزینه‌ای برای آن‌ها محسوب نمی‌شود و استفاده از چگالنده بدون برج خنک‌کن امری عادی است، استفاده از چگالنده و برج خنک‌کن موضوعی حساس در صنعت به‌شمار می‌رود. با آغاز قوانین و روش‌های فراوانی در زمینه چرخه‌های دارای برج خنک کن برای مناطقی که با مشکل کم‌آبی رو به رو بودند، طرح‌ریزی شد و احداث برج خنک‌کننده را وابسته به نظر آن منطقه و کم و کیف منابع آبی آن منطقه کرد. در مناطقی که منابع آبی قادر به فراهم کردن آب برج خنک‌کن هستند، از سیستم حوضچه‌های آبی استفاده می‌شود و در مناطقی که محدودیت منابع دارند، مثل شهرهای بزرگ، از برج‌های خنک‌کننده استفاده می‌شود.

انواع برج خنک‌کننده

دسته‌بندی برج‌های خنک‌کننده به چند صورت انجام می‌گیرد.

بر اساس سیکل گردش آب، برج‌های خنک کن را به سه دسته مدار باز ، مدار بسته و هیبریدی تقسیم می‌کنند.

برج‌های خنک‌کننده مدار باز

برج خنک کن مدار باز به سیستمی گفته میشود که آب را توسط یک سیکل باز (به لحاظ انتقال جرم) خنک میکند. آب در این نوع از سیستمها توسط یک سری نازل بر روی سطوح خنک کننده یا پکینگها پاشش میکند و در اثر افت از خروجی تشتک آن خارج می‌گردد. هوا نیز از قسمت لوور یا کرکره‌های ورودی هوا وارد می‌گردد. بعد از تماس با آب و رطوبت زنی به صورت اشباع از قسمت دیگر (فن استک) خارج می‌گردد.

برج خنک کن مدار باز به لحاظ شکل ظاهری

• برج خنک کننده مدار باز مکعبی دارای سیستم پاشش آب ثابت و سیستم هوادهی مکش القایی میباشد.
• برج خنک کننده مدارباز مخروطی یا گرد مدور دارای سیستم پاشش آب چرخشی و هوادهی مکش القایی میباشد

برج‌های خنک‌کننده مدار بسته

در این نوع برج خنک کننده ها آب از داخل کویل جریان پیدا می‌کند و هوا بر روی کویل دمیده می‌شود. جهت افزایش راندمان در بعضی مواقع نیاز به پاشش روی سطح کویل نیز می‌باشد. بزرگترین مزیت برج‌های مدار بسته کم بودن مصرف آب می‌باشد. در مناطق خشک و کم‌آب، استفاده از برج خنک‌کننده مدار بسته، علی‌رغم سرمایه‌گذاری اولیه بیشتر، نسبت به برج خنک‌کننده مدار بسته ارجحیت دارد.

برج های خنک کننده هیبریدی

از هر دو مدل مدار باز و مدار بسته بصورت ترکیبی استفاده میکند. برج خنک کننده هیبریدی خود به دو نوع تقسیم می‌گردد.

در نوع اول در بخش بالایی آن برج خنک کننده مدار بسته قرار دارد و در پایین برج مدار باز. عملکرد این برج بدین گونه است که آب گرم بعد از ورود به درون کویلهای مسی با هوای ورودی که توسط فن و از دریچه ورود هوا به درون برج خنک کننده نفوذ کرده است تماس یافته و گرمای آب درون کویل تا دمای خشک کویل کاهش پیدا نموده است. سپس همین آب وارد بخش مدار باز در پایین شده و توسط نازلها بر سطح پکینگها پاشش میشود و گرمای خود را تا چند درجه بیش از دمای اشباع از دست داده و وارد تشت آب شده و از آنجا وارد لوله‌های خروجی می‌گردد.

در نوع دوم از برج خنک کننده هیبریدی در حقیقت ما با دو نوع کویل روبرو هستیم. یک کویل به کویل ناحیه خشک معروف است که آب گرم بعد از ورود به آن دمای خود تا دمای خشک کویل خشک از دست میدهد و سپس همین آب وارد کویل تر ناحیه تر می‌گردد و بعد از اینکه آب توسط نازلها بر سطح این کویلها پاشیده شد و دمای آب تا حد محسوس کاهش یافت وارد تشتک یا حوضچه آب می‌گردد و از آنجا توسط پمپ به چرخه فرآیند صنایع بر می‌گردد.

در این نوع از برج خنک کننده هوا همزمان از پایین برج وارد شده و بعد از برخورد با سطح دو کویل از بالا خراج می‌گردد. نکته قابل توجه در این نوع از برجها ارتفاع برج خنک کننده هیبریدی در مقایسه با انواع دیگر میباشد که ارتفاع برج هیبریدی به سبب برخورداری از هر دومدار باز و بسته گردش آب درون برج خنک کن، خیلی بیشتر از مدلهای دیگر میباشد.

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.

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.

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.