برج خنک کننده (کولینگ تاور / Cooling Tower)

برج خنک کننده یا برج خنک کن یا کولینگ تاور (Cooling Tower)، دستگاهی است که گرمای بوجود آمده در فرآیندها، ماشین‌ ها و دستگاه‌ های صنعتی را از آب در حال جریان دریافت و از طریق تبخیر آن را به اتمسفر انتقال می‌ دهد و مجدداً آب خنک را به سیستم برمی‌ گرداند. در برج خنک کن، بخشی از آب با دریافت گرما از فاز مایع به فاز بخار تبدیل شده و به اتمسفر وارد می‌ شود.

هنگامی که این تبخیر انجام شود با توجه به انرژی که از آب گرفته شده، میزان دمای مابقی آب که به صورت سیال است کاهش می‌ یابد. به این پدیده، سرمایش تبخیری (Evaporative Cooling) می‌ گویند و این همان چیزی است که در کولینگ تاور مورد استفاده قرار می‌ گیرد.

در یک جمله مختصر باید گفت که برج خنک کننده (کولینگ تاور)، یک منبع تولید کننده آب خنک مورد نیاز صنایع مختلف است. آب سرد تولید شده بوسیله این منبع برودتی، مجدداً انرژی اضافی تجهیزات را جذب و آن را به هوا منتقل می کند. این فرآیند، در واقع تبادل یک سیکل تکراری می باشد که دمای فعالیت ماشین‌ آلات صنعتی را دائماً ثابت نگه می‌ دارد. این دستگاه سرد کننده و تبریدی با فراهم کردن دائم آب سرد می‌ تواند گرمای چیلرها، دیگ ها یا کوره‌ های القایی را بگیرد. کاهش دائمی دمای ماشین آلات و جذب گرمای آنها یک دغدغه بزرگ در تضمین ثبات سیستم به شمار می‌ آید.

برج خنک کننده در کجا استفاده می شود؟

برج خنک کن به صورت گسترده در انواع صنایع به کار می‌ رود؛ از جمله در صنایع نفت، پالایشگاه، پتروشیمی، نیروگاه حرارتی، نیروگاه اتمی، کارخانجات شیمیایی، غذایی، دارویی، صنایع ذوب فلزات، ریخته ‌گری، کوره‌ های القایی، صنایع تولید لاستیک و پلاستیک، صنایع تولید شیشه، صنایع تولید سرامیک و کاشی، صنایع تولید خودرو، صنایع رنگ، کارخانجات تولید لبنیات و مواد غذایی، صنایع تولید کاغذ و تقریباً هر جایی که در پروسه تولید و ساخت نیاز به آب خنک باشد.

چرا "کولینگ تاور" در بالای ساختمان های مسکونی، تجاری و اداری نصب می‌ شود؟

برای خنک کردن هوای درون ساختمان از تجهیزات سرمایش استفاده می‌ شود. تجهیزات اصلی یک سیستم سرمایش عبارتند از: چیلر، برج خنک کن، فن کوئل، هواساز و پمپ.

چیلرها آب بسیار سرد با دمای 5 تا 10 درجه سانتیگراد تامین می‌ کنند؛ این آب سرد وارد فن کوئل و هواساز می‌ شود و هوای داخل ساختمان را خنک می‌ کند. چیلر در هنگام کار گرم می‌ شود و برای فعالیت مداوم و موثر نیاز به خنک کردن آن می‌ باشد.

"کولینگ تاور" برای خنک کردن چیلر به کار می رود. برج خنک کن، گرمای چیلر را گرفته و به هوا می‌ فرستد. انتخاب چیلر و برج خنک کن برای ساختمان وابسته به شرایط آب و هوایی منطقه می‌ باشد. شرایط انتخاب در شهر تهران در جدول زیر نشان داده شده است.

(مطالعه بیشتر در مورد چیلر و برج خنک کننده)

سایر ویژگی های برج خنک کننده

انرژی حرارتی دفع شده در برج خنک‌ کننده به محیط اطراف باعث سرد‌ شدن سیال خنک کننده شده و از این جهت برج‌ خنک‌ کن را نوعی سرد کننده صنعتی نیز به شمار آورند. انتقال انرژی در برج خنک کننده از طریق گرمای نهان تبخیر سیال خنک کاری صورت می‌ پذیرد و از این رو درصد‌ کمی از حجم سیال در گردش، تبخیر‌ می شود و سپس وارد هوای محیط بیرون می‌ شود. سیال خنک‌ کننده باید در گردش خود در یک سیکل گرمازا و در عبور از برج‌ خنک‌ کننده، توانایی دریافت میزان قابل توجهی از انرژی را دارا باشد.

در واقع توانایی دریافت انرژی در سیال خنک‌ کننده، تحت عنوان ظرفیت‌ گرمایشی‌ ویژه عنوان می شود که بهترین سیال در عملیات خنک‌ کنندگی در یک چرخه‌ صنعتی آب می‌ باشد. انتقال جرمی بخارات حاصل از تبخیر در برج‌ خنک‌ کننده در صورتی که سیال در گردش از نوع آب باشد، باعث افزایش رطوبت نسبی محیط اطراف و در نهایت تشکیل مه می‌ شود. بنابراین همواره توصیه می‌ شود که برج‌ خنک‌ کننده در محیط بیرونی (outdoor) نصب شود تا هوای داخل محیط قرارگیری به مرور زمان اشباع نشده و راندمان نهایی (Efficiently) عملکرد برج با افت روبرو نشود.

ابعاد برج خنک کننده در واقع فاکتور اصلی ایجاد سطح مبادله انرژی به شمار می آید . هر چقدر که برج خنک کن ابعاد بزرگتری داشته باشد، سطح مقطع بزرگتری نیز خواهد داشت که این موضوع در نهایت باعث انتقال حجم بیشتری ازحرارت بیشتر می شود. ابعاد و اندازه یک کولینگ تاور رابطه مستقیمی با ظرفیت سرمایی یا توان برودتی دارد. برج های بزرگتر، ظرفیت بیشتری خواهند داشت. امروزه نمونه های از اسکیل بزرگ کاربرد برج خنک کننده را در صنعت در نیروگاه و پالایشگاه ها می توان به راحتی جستجو نمود.

در اکثر نیروگاه ها به طور معمول از برج های غول پیکر بتنی با سازه هذلولی جهت خنک نمودن حجم بسیار زیادی از آب در ساعت استفاده می شود. در اسکیل کوچک و در ابعاد تقریبی 100 در 100 می توان مشاهده نمود که برج های خنک کننده کوچک در صنایع کوچک همانند تزریق پلاستیک، گلاب گیری و عرق گیری استفاده می گردد. مشخصات ابعادی دستگاه های برودتی و ماشین آلات فاکتوری است که همواره در کاتالوگ محصولات شرکت های سازنده می توان آن را مشاهده نمود.

برج خنک کن مدار باز به سیستمی گفته می شود که آب را بوسیله یک سیکل باز (از نظر انتقال جرم) خنک می کند. آب در این نوع از سیستم ها توسط یک سری نازل روی سطوح خنک کننده یا پکینگ ها پاشیده می شود و به علت افت دما از خروجی تشتک آن خارج می‌ گردد. هوا نیز از قسمت لوور یا کرکره‌ های ورودی هوا به برج وارد می‌ شود.

برج خنک کننده (کولینگ تاور) چگونه کار می‌ کند؟

سیستم‌ ها و فرآیندهای صنعتی حرارت زیادی را به شکل آب داغ تولید می‌ کنند که این آب باید خنک گردد. این آب داغ از داخل کولینگ تاور عبور می‌ کند و در معرض هوای خشک و خنک محیط قرار می‌ گیرد. گرما بوسیله تبخیر دفع می‌ گردد. این آب خنک مجدد وارد فرآیند شده و گرم می‌ شود، این سیکل بارها و بارها تکرار می‌ شود.

آبگرم در برج خنک کن بوسیله نازل به قطرات ریز تبدیل شده و بروی پکینگ پاشیده می‌ شود که موجب افزایش سطح تماس و افزایش میزان تبخیر می‌ شود. فن که بالای برج خنک کننده قرار کرفته است هوا را از پایین دستگاه به سمت بالا، در خلاف جهت آب هدایت می‌ کند، این هوا گرما و آب تبخیر شده را به اتمسفر خارج می‌ کند.

آب گرم در این فرآیند خنک شده و بخشی از جرم خود را از دست می‌ دهد که به صورت تبخیر همراه با هوا خارج می‌ شود، سپس این آب خنک در تشت دستگاه جمع شده و به سمت سیستم مکش می‌ شد.

کولینگ تاور به دلیل تبخیر مداوم آب مصرف آب بالایی دارد به طوریکه در مناطق خشک و کم آب می‌ توان از برج خنک کن مدار بسته، هیبریدی، آدیاباتیک یا خشک استفاده نمود و میزان مصرف آب را کاهش داد.

(محاسبه آنلاین مصرف آب برج خنک کننده)

انواع کولینگ تاور کدام است؟

برج خنک کن دارای انواع مختلفی می‌ باشد که از لحاظ مسیر جریان آب و هوا، نحوه ساخت و روش انتقال حرارت تقسیم بندی می‌ شوند. انتخاب نوع برج خنک کن بر اساس نوع و نیاز واحد بهره بردار انتخاب می‌ گردد. تقسیم بندی انواع کولینگ تاور به شرح زیر است.

برج خنک کن جریان طبیعی

نوع برج خنک کن مورد استفاده در فرآیندهای صنعتی اغلب حائز اهمیت می‌ باشد. این برج‌ های خنک کن بلند و استوانه‌ ای برای واحد‌های نیروگاهی و صنعتی بسیار بزرگ مورد استفاده قرار می‌ گیرند و سازه دودکشی کمک می‌ کند که هوا از پایین به بالا بدون نیاز به فن حرکت طبیعی داشته باشد.

برج خنک کن جریان مکانیکی

در این نوع برج خنک کن هوا بوسیله فن درون دستگاه به جریان می‌ افتد، هم فن ملخی و هم فن سانتریفیوژ مورد استفاده قرار می‌ گیرد. این نوع کولینگ تاور عملکرد موثرتری نسبت به جریان طبیعی دارد، انرژی بیشتری به دلیل استفاده از پروانه مصرف می‌ کند در نتیجه هزینه بالاتری خواهد داشت.

برج خنک کن جریان متقاطع و جریان مخالف

در برج خنک کننده جریان متقاطع مسیر برخورد آب و هوا به صورت متقاطع است و در برج خنک کننده جریان مخالف مسیر برخورد آب و هوا در جهت مخالف یکدیگر است. در هر دو نوع دستگاه آب گرم پس از خنک شدن در تشت دستگاه جمع آوری می‌ شود.

برج خنک کن جریان القایی و اجباری

در کولینگ تاور جریان القایی، فن در ناحیه خروجی هوا قرار داد؛ مزیت این نوع برج خروج هوای گرم با سرعت بالا است و امکان گردش مجدد هوا به درون دستگاه را ندارد. در برج خنک کن جریان اجباری، فن در ناحیه ورود هوا قرار گرفته است و هوا را به داخل دستگاه وارد می‌ کند. به طور کلی برج خنک کن جریان القایی 30 تا 70 درصد انرژی کمتری نسبت به برج با جریان اجباری مصرف می‌ کند.

(توضیح کامل انواع برج خنک کننده)

روش های انتقال نیرو در برج خنک کننده

فناوری های انتقال نیرو در برج خنک کنندهاز جمله درایو دنده (گیربکس)، درایو تسمه (تسمه و پولی)، درایو مستقیم (کوپل مستقیم) و درایو با جابجایی الکترونیکی EC (اینورتری) می باشد. هر کدام از اینفن آوری هادارای مزایا و معایبی هستند.فناوری مناسب انتفال نیرو، تعادل مناسبی را بین هزینه اولیه در مقابل هزینه های عملیاتی ایجاد خواهد کرد.

• درایو دنده (گیربکسی) (Gearbox drive)
• درایوهای تسمه و پولی (Belt drive)
• درایو مستقیم یا کوپل مستقیم (Direct drive)
• الکتروموتور های EC

تجهیزات و قطعات برج خنک کننده کدامند؟

قطعات برج خنک کننده عبارتند از الکتروموتور، کاهنده دور / گریبکس، فن استک، نازل‌ ها / آب پخش کن، لوله‌ های توزیع آب، پکینگ / سطوح انتقال حرارت، قطره گیر، بدنه / تشت / سازه اصلی، ساپورت‌ های فلزی با کامپوزیت جهت نگه داشتن تجهیزات‌، فلنج‌ های ورود و خروج، دریچه‌ های هوا، اتصالات دستگاه. هر کدام از این قطعات و تجهیزات دارای انواع مختلفی هستند که متناسب با طراحی و عملکرد برج خنک کن به کار برده می‌ شوند.

• فن برج خنک کننده
  به جریان انداختن هوا در کولینگ تاور (فن کولینگ تاور، یکی از مهمترین و اصلی‌ ترین اجزاء برج خنک کن می‌ باشد که عملکرد دستگاه به شدت به آن وابسته می‌ باشد. فن باید سبک باشد تا نیروی گشتاور محرکه کمتری برای به دوران درآوردن آن لازم باشد و همچنین مقاومت کافی در برابر تنش و خستگی داشته باشد به صورت متداول از استیل، آلومینیوم، فایبرگلاس و یا انواع پلاستک می‌ سازند. فن‌ ها معمولاً در دو نوع محوری و سانتریفیوژ مورد استفاده قرار می‌ گیرند که نوع سانتریفیوژ فشار استاتیکی بالاتر و نوع محوری دبی بالاتری تأمین می‌ کنند)

• • • پکینگ
      ایجاد سطح تماس گسترده میان آب و هوا (نقش پکینگ ایجاد حداکثر سطح تماس میان آب و هوا در طولانی‌ ترین بازه زمانی ممکن می‌ باشد تا بتواند تبخیر را به حداکثر رسانده و آب را بیشتر خنک کند. پکینگ یا سطوح انتقال حرارت به عنوان قلب کولینگ تاور شناخته می‌ شود و در دو مدل اساسی اسپلش (قطره ای) و فیلمی طراحی و ساخته می‌ شود.

      هر دو نوع پکینگ فیلمی و اسپلش برای استفاده در کولینگ تاور به کار برده می‌ شوند. اما پکینگ فیلمی دارای راندمان بیشتری نسبت به پکینگ اسپلش می‌ باشد و سطح تماس گسترده‌ تری میان آب و هوا ایجاد می نماید، ولی پکینگ فیلمی نسبت به پکینگ اسپلش در مقابل رسوب و آب بی کیفیت مقاومت کمتری دارد و ضمن اینکه تحمل دمایی کمتری دارد زودتر دچار گرفتگی و فرسایش می شود).

    • نازل
      پاشش و توزیع آب
    • قطره گیر
      جلوگیری از پرتاب آب به بیرون
    • چوب اشباع
      چوب اشباع شده جهت ایجاد سطح تماس آب و هوا (فرآیند اشباع سازی جهت افزایش عمر چوب به وسیله اسید کرومات مس و به میزان مشخص تحت فشار صورت می‌ گیرد و معمولاً از چوب درختان کاج نزدیک به قطب شمال (چوب روسی) با رعابت استانداردهای حد ترک و گره در چوب استفاده می شود)

      در کاتالوگ برج خنک کننده تمام مشخصات شامل شرح کارکرد، جدول مشخصات فنی، شرح قطعات و اجزاء، نمودار تعیین ظرفیت و رزومه پروژه‌ های برج خنک کن آورده شده است.