برج خنک کننده یا cooling tower که با عنوان “برج خنک کن” نیز شناخته می‌شود را می‌توان نوعی مبدل انرژی دانست که قادر به تولید حجم مشخصی از آب خنک برای ماشین آلات و تجهیزات صنعتی می‌باشد. این مبدل حرارتی بزرگ به ایجاد ارتباط میان آب و هوا پرداخته و می‌تواند کاهش درجه دمایی آب برگشتی دستگاه‌هایی نظیر چیلر، بویلر و کوره‌های ذوب فلزات را امکان پذیر نماید. کارکرد تبخیری برج خنک کننده به منظور کاهش دمای آب تا درجه‌ای خاص کمک کننده است. سیال آب گرم برج خنک‌کننده با توجه به شرایط محیطی اقلیم محل نصب دچار افت دما خواهد شد.
در این دستگاه سیالی مانند آب گرمای اضافی تجهیزات را ذخیره نموده و این حرارت را در محیط توزیع می‌کند. حرارت ناشی از کارکرد اجزای صنعتی در مکانیسم درونی برج خنک کننده، به واسطه هوای خشک در فضای خارجی منتشر می‌شود. از آنجایی که برج خنک کن تبادل انرژی میان آب و هوا را بر عهده دارد، فعل و انفعالات داخل دستگاه را می‌توان تماس یا ارتباط مستقیم و غیر مستقیم میان دو سیال دانست. در جریان این ارتباط، زمینه لازم برای جابجایی انرژی گرمایی و کاهش دمای آب مهیا می‌شود.
دستگاه کولینگ تاور گرمای ایجاد شده در فرآیندها، کارکرد ماشین‌ها و عملکرد دستگاه‌های صنعتی را از آب در حال جریان دریافت می‌نماید و این حرارت را به واسطه تبخیر به اتمسفر منتقل می‌کند تا به این ترتیب آب خنک دوباره به سیستم بازگردد. در این سیستم مقداری از آب گرما دریافت نموده و از فاز مایع به فاز بخار تبدیل می‌شود تا وارد اتمسفر شود. با تبخیر آب و حجم انرژی گرفته شده از سیال، سطح دمای آب باقی مانده که به شکل سیال وجود دارد نیز کم می‌شود. به این شکل پدیده سرمایش تبخیری یا Evaporative Cooling به وجود آمده و در برج خنک کننده مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در ادامه مقاله علاوه بر توضیح نحوه کارکرد برج خنک کننده و معرفی اجزای سازنده آن، لزوم استفاده از این دستگاه در صنعت را بررسی نموده و موارد استفاده از آن را بر می‌شماریم.
موارد استفاده از برج خنک کننده
استفاده از برج خنک کننده به شکل گسترده در صنایع مختلف مشاهده می‌شود. در اکثریت قریب به اتفاق صنایع و فعالیت‌هایی که به آب خنک نیاز دارند، استفاده از برج خنک کن متداول است. صنایع، کارخانجات و فعالیت‌هایی که به استفاده از برج خنک کننده متکی هستند شامل موارد زیر هستند:
- پالایشگاه‌ها
- نیروگاه‌های حرارتی
- نیروگاه‌های هسته‌ای
- کارخانجات تولید مواد شیمیایی
- صنعت نفت
- صنعت پتروشیمی
- صنعت تولید خودرو
- صنعت تولید لاستیک و پلاستیک
- صنعت ذوب فلزات
- صنعت تولید شیشه
- صنعت تولید کاشی و سرامیک
- صنعت تولید رنگ
- صنعت تولید کاغذ
- صنعت تولید دارو
- صنعت تولید فراورده‌های غذایی،
- کارخانجات تولید فراورده‌های لبنی
- ریخته‌گری
- کوره‌های القایی
- و …
انواع برج خنک کننده
برج‌های خنک کننده از نظر مسیر جریان آب و هوا، شیوه ساخت و روش انتقال گرما دارای انواع مختلفی هستند. انتخاب نوع برج خنک کن بر مبنای نوع و نیاز واحد مورد نظر انجام می‌شود؛ لذا در فعالیت‌های صنعتی تعیین نوع برج خنک کننده باید مورد توجه قرار گیرد. در ادامه به معرفی انواع برج‌های خنک کننده می‌پردازیم.
برج خنک کننده جریان مکانیکی
فن تعبیه شده در این نوع برج خنک کننده در به جریان در آمدن هوا کمک کننده است. این دستگاه علاوه بر فن ملخی به فن سانتریفیوژ نیز مجهز است. کارکرد برج خنک کننده جریان مکانیکی بسیار موثر و کارآمد است. با این وجود به دلیل وجود پروانه در ساختار این سیستم انرژی بیشتری مصرف شده و هزینه‌های مصرف بالاتر خواهد بود.
برج خنک کننده جریان طبیعی
برج خنک کننده جریان طبیعی بلند و استوانه‌ای شکل است و گزینه‌ای مناسب برای استفاده در واحد‌های نیروگاهی و صنعتی با وسعت بالا محسوب می‌شود. ساختار دودکشی این دستگاه باعث می‌شود هوا بدون نیاز به فن از پایین به بالا به شکل طبیعی حرکت کند.
برج خنک کننده جریان اجباری
در برج خنک کننده جریان اجباری، فن در قسمت ورودی جریان هوا تعبیه شده و باعث مکش هوا به داخل سیستم می‌شود.
برج خنک کن جریان القایی
در برج خنک کننده جریان القایی فن در قسمت خروجی هوا قرار گرفته است. در این نوع برج، خروج جریان‌های هوای گرم سریعتر بوده و شرایط لازم برای گردش مجدد هوا به داخل دستگاه وجود ندارد. میزان مصرف انرژی در برج خنک کننده جریان القایی 30 تا 70 درصد کمتر از برج خنک کننده جریان اجباری است.
برج خنک کننده جریان متقاطع
در این برج خنک کننده، مجرای برخورد آب و هوا به شکل متقاطع است. آب گرم خنک شده توسط این سیستم داخل تشت ذخیره می‌شود.
برج خنک کننده جریان مخالف
در برج خنک کننده جریان مخالف مجرای تماس آب و هوا در جهت مخالف یکدیگر است. در این دستگاه نیز آب گرم بعد از خنک شدن داخل تشت طراحی شده برای برج جمع آوری خواهد شد.
اجزای تشکیل دهنده برج خنک کننده
برج خنک کننده به عنوان یکی از کارآمد‌ترین و پرکاربردترین تجهیزات صنعتی دارای قطعات مختلفی است. هر یک از قطعات و تجهیزات موجود در این سیستم انواع مختلفی دارند و بسته به نوع طراحی و عملکرد در برج خنک کننده مورد استفاده قرار می‌گیرند. قطعات برج خنک کننده شامل الکتروموتور، کاهنده دور
گریبکس، فن استک، نازل‌ها، آب پخش کن، لوله‌های توزیع آب، پکینگ، سطوح انتقال حرارت، قطره گیر، بدنه، تشت، سازه اصلی، ساپورت‌های فلزی با کامپوزیت جهت نگه داشتن تجهیزات، فلنج‌های ورود و خروج، دریچه‌های هوا، اتصالات دستگاه و … است.
فن در برج خنک کننده
فن به عنوان یکی از اصلی‌ترین اجزای تشکیل دهنده برج خنک کننده، در کارکرد درست دستگاه نقش بسزایی دارد. فن‌های برج خنک کننده در دو نوع محوری و سانتریفیوژ وجود دارند که فن سانتریفیوژ قادر به تامین فشار استاتیکی بیشتر و فن محوری قادر به تامین دبی بالاتر است. این قطعه مسئول به جریان در آوردن هوا در برج خنک‌کننده است. در طراحی و ساخت فن باید به سبک بودن آن توجه شود تا نیروی کمتری صرف ایجاد دوران در آن شود. علاوه بر این، سبک بودن فن مقاومت لازم برای مقابله با تنش را در دستگاه ایجاد کرده و راندمان کارکرد آن را افزایش می‌دهد. این قطعه در برج خنک کننده قالبا از جنس استیل، آلومینیوم، فایبرگلاس یا انواع پلاستک است.
پکینگ در برج خنک کننده
پکینگ در این سیستم به ایجاد سطح تماس گسترده بین آب و هوا می‌پردازد. ایجاد قابلیت برخورد آب و هوا با یکدیگر در یک بازه زمانی طولانی باعث می‌شود سطح تبخیر آب به بیشترین حد رسیده و خنک شدن آب بهتر امکان پذیر شود. سطوح تبادل حرارتی در کولینگ تاور از اجزای اصلی این دستگاه هستند و در دو مدل اساسی اسپلش (قطره‌ای) و فیلمی به طراحی و تولید می‌رسند.
در کولینگ تاورها از هر دو نوع پکینگ اسپلش و فیلمی استفاده می‌شود. پکینگ فیلمی در مقایسه با پکینگ اسپلش بازدهی بالاتری داشته و قادر به ایجاد سطح تماس گسترده‌تری بین آب و هوا است. با این وجود پکینگ پکینگ اسپلش در برابر انباشت رسوبات آب پایداری بالاتری داشته و به دلیل برخورداری از سطح تحمل دمایی بیشتر، در کوتاه مدت دچار گرفتگی و فرسودگی نخواهد شد.
نکته: علاوه بر تجهیزات گفته شده، با هدف کنترل، بهبود و ارتقای سطح کارایی کولینگ تاور در آن از تجهیزات تکمیلی نیز استفاده شده است. سیستمهای تنظیم و کنترل میزان کیفیت آب برج خنک کننده نظیر سیستم فیلتراسیون، سیستم تزریق اسید، سیستم تزریق مواد شیمیایی، سیستم تزریق کلر و … مهم‌ترین تجهیزات تکمیلی این دستگاه به شمار می‌آیند. وجود این تجهیزات در برج خنک کننده به تسهیل فرایند کنترل کیفیت آب و بهبود آن کمک شایانی می‌کند.
اجزای جانبی برج خنک کننده کدامند؟
در ادامه تعدادی از مهم‌ترین اجزای جانبی برج‌های خنک کننده را معرفی می‌نماییم.
- دکمه کاهش صدای فن: این دکمه در زیر قسمت کاهش دور (بین فن و فولی) تعبیه شده و باعث کاهش لرزش‌های پروانه و تولید صدای کمتر می‌شود.
- فیلتراسیون هوا: این فیلترها شبکه‌ای از منافذ با جنس فلز آلومینیوم هستند که پشت کرکره‌ها تعبیه شده و مانع ورود ذرات معلق به محیط داخلی می‌شوند.
- پمپ شاور: این پمپ تنها در کولینگ تاورهای هیبریدی وجود دارد و آب مدار باز را مدام بر روی کویل می‌پاشد.
- فیلتر میکرونی: این فیلتر به افزایش کیفیت آب جبرانی کمک کرده و باعث کاهش سطح رسوب‌ها و ممانعت از گرفتگی قطعات درونی می‌شود.
- لرزه‌گیر مکانیکی: این قطعه سطح لرزش‌ها و ارتعاشات را کاهش داده و به افزایش دوام و طول عمر قطعات کمک می‌کند.
اهمیت استفاده از برج خنک کننده چیست؟
کارکرد مداوم تجهیزات صنعتی و غیر صنعتی باعث گرم شدن این دستگاه‌ها می‌شود. تنها تعداد محدودی از ماشین آلات و تجهیزات صنعتی این میزان از گرمای تولید شده را به واسطه هوای محیط به اطراف انتقال داده و حرارت را دفع می‌کنند. تعداد قابل توجهی از این تجهیزات برای از دست دادن گرمای اضافی تولید شده به آب گردشی نیاز دارند. این آب گرمای تولید شده توسط ماشین‌های صنعتی را ذخیره کرده و پس از این که دچار افزایش دما شدند، به سوس مبدل‌های حرارتی منتقل می‌شوند. آب سرد تولید شده توسط برج خنک کننده انرژی حرارتی را در مبدل به طور کامل دفع خواهد کرد.
نحوه کارکرد برج خنک کننده
در فرایند کارکرد سیستم‌ها و تجهیزات صنعتی گرمای زیادی به شکل آب داغ تولید می‌شود که باید خنک شود. آب داغ از درون برح خنک کن عبور کرده و در تماس با هوای خشک و خنک جریان یافته در محیط قرار می‌گیرد. در این زمان گرما در فرایند تبخیر کاهش می‌یابد. آب خنک شده دوباره به فرآیند گفته شده وارد می‌شود و دچار افزایش دما می‌شود. چرخه تبخیر و خنک شدن آب مدام تکرار می‌شود تا روند کاهش دما برقرار باشد. آب گرم موجود در برج خنک کننده توسط نازل تجزیه شده و به قطرات ریز تبدیل می‌شود.
قطرات ریز آب با پکینگ تماس یافته و افزایش میزان برخورد پکینگ و آب مقدار تبخیر را افزایش می‌دهد. فن تعبیه شده در قسمت فوقانی برج خنک کننده، جریان‌های هوا را از بخش پایین دستگاه به سمت بالا (در خلاف جهت آب) منتقل می‌کند. در نتیجه این هوا، گرما و آب تبخیر شده را در اتمسفر هدایت می‌کند. در جریان این فرایند آب گرم خنک شده و از جرم آن کاسته می‌شود. در این روند تبخیر به همراه هوا خارج شده و آب خنک در تشت دستگاه ذخیره می‌شود تا به سوی سیستم مکش شود.
تبخیر پیوسته آب در کولینگ تاور باعث افزایش میزان مصرف آب می‌شود. در نتیجه می‌توان در نواحی خشک و کم آب از برج خنک کن مدار بسته، هیبریدی، آدیاباتیک یا خشک استفاده کرده و شرایط مساعد برای بهینه سازی و صرفه جویی در مصرف آب را فراهم نمود.
علت نصب برج خنک کننده در بالای ساختمان‌های مسکونی، تجاری و اداری
نیاز به تولید سرمایش کافی و پایدار در فصل‌های گرم سال در اماکن مختلف باعث شده است تا جهت ایجاد تهویه مطبوع و خنک کردن هوای داخل ساختمان از سیستمهای خنک کننده و تجهیزات تبریدی استفاده شود. در یک سیستم سرمایشی چیلر، برج خنک کننده، فن کویل، هواساز و پمپ جزء اجزای اصلی به شمار می‌آیند.
چیلرها می‌توانند آب بسیار سرد با دمایی در محدوده 5 تا 10 درجه سانتی گراد را تولید نمایند. آب سرد تامین شده از سوی چیلر به سیستم فن کویل وارد شده و سپس هواساز باعث خنک شدن هوای داخل ساختمان خواهد شد.
این در حالی است که کارکرد مداوم چیلر باعث گرم شدن این سیستم می‌شود؛ لذا به منظور افزایش بازدهی عملکرد این دستگاه لازم است شرایط لازم برای خنک کردن آن فراهم شود. برج خنک کننده دستگاهی است که برای خنک کردن چیلر مورد استفاده قرار می‌گیرد. برج خنک کننده گرمای چیلر را جذب کرده و به هوا منتقل می‌کند. به منظور انتخاب چیلر و برج خنک کننده باید شرایط آب و هوایی منطقه را مورد توجه قرار داد.
نتیجه گیری
برج خنک کننده از مهم‌ترین دستگاه‌های صنعتی است که به منظور کاهش دمای ماشین آلات و تجهیزات مختلف در هنگام کارکرد مداوم مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این مقاله علاوه بر معرفی کامل برج خنک کننده و سازوکار استفاده از آن، انواع مختلف این دستگاه‌ها را نام برده و ضرورت استفاده از آن‌ها را متذکر شدیم. برای خرید برج خنک کننده لازم است ظرفیت و امکانات این دستگاه را با توجه به شرایط و پارامترهای محیط بهره برداری انتخاب نمایید.