تاریخچۀ طراحی و ساخت برج های خنک کننده یا کولینگ تاور
در ابتدای بحث لازم است با چگونگی طراحی برج های خنک کن آشنا شویم. اولین برج های خنک کن با شروع انقلاب صنعتی در اروپا ساخته شدند. استفاده‌ای که از برج‌های خنک کنندۀ برده می‌شد، خنک‌سازی موتورهای بخار اولیه بود. در هایی که به این منظور طراحی و ساخته می‌شدند، از آب به خاطر ظرفیت گرمایی بالایی که داشت کمک گرفته می‌شد. به نحوی که جریان آب با بخار خروجی از موتور بخار تماس برقرار کرده، باعث تبدیل شدن بخار خروجی از توربین به مایع می‌شد. این کار اگرچه فشار بخار خروجی را قدری کاهش می‌داد، اما باعث صرفه‌جویی در مصرف انرژی موتور می‌شد و همچنین طرز کار آن را بهبود می‌بخشید.
با شروع قرن بیستم میلادی روش‌های نوین جهت ساخت برج‌های خنک کننده طراحی شد که باعث گسترده شدن استفاده از این سیستم‌های خنک کننده گشت. به شکلی که در تأسیسات تهویه مطبوع خانگی نیز به صورت گسترده مورد استفاده قرار گرفت. این برج‌های خنک کننده به شکل یک دستگاه مجزا بر روی سقف ساختمان نصب شده، به کمک فن‌هایی قدرتمند جریان هوا را به صورت اجباری وارد برج کرده و باعث خنک شدن جریان آبی می‌شدند که به منظور سرمایش ساختمان مورد استفاده قرار می‌گرفت.
کولینگ تاور هایی که اوایل قرن بیستم میلادی ساخته می‌شد، ساختمان ساده‌ای داشت. طراحی این برج‌ها بر مبنای تماس مستقیم جریان هوا با جریان آبی بود که از بالای برج به داخل آن اسپری می‌شد. به این خاطر که در نمونه‌های اولیه جریان هوا به صورت آزاد وارد برج می‌شد، در نتیجه لازم بود ارتفاع برج‌ها بیشتر شده و با قطرهای بزرگتری طراحی شوند تا جوابگوی نیاز فرایندهای صنعتی باشند. دلیل نامگذاری این تأسیسات صنعتی نیز به واسطۀ همین شکل طراحی اولیۀ آنها است. بهره بردن از برج‌های بلند و کمک گرفتن از مکانیزم پاشش جریان آب از بالا اساس اصلی طراحی این برج های خنک کننده است.
با پیشرفت تکنولوژی و رونق گرفتن احداث کارخانه‌های صنعتی این برج‌های خنک کننده جهت طراحی فرایندهای صنعتی مورد استفاده قرار گرفت و خیلی زود روند پیشرفت را نیز طی کرد. یکی از اجزای اصلی این برج ها پکینگ برج خنک کننده می باشد که در ادامه به بررسی آن خواهیم پرداخت.
آشنایی با برج خنک کننده یا کولینگ تاور
اساس طراحی برج های خنک کن یا کولینگ تاور تبخیر شدن آب به منظور خنک‌سازی آن است؛ این کار به منظور جذب گرما از یک فرایند صنعتی یا یک دستگاه صنعتی صورت می‌گیرد. در حقیقت آبی که وارد برج خنک کننده می‌شود، پس از خنک شدن به صورت غیرمستقیم یا مستقیم عملیات خنک‌سازی یک دستگاه صنعتی دیگر را برعهده می‌گیرد یا اینکه از آن برای سرمایش یک مکان استفاده می‌شود. امروزه برج‌های خنک کننده اغلب به همان صورت برج‌های مرتفع ساخته می‌شوند. اما از تأسیسات دیگری نیز در این برج‌ها استفاده می‌شود که نتیجۀ آن افزایش سطح تماس قطرات آب با جریان هوا و در نتیجه بهبود عملکرد برج خنک کننده است. در ادامه به خواهیم پرداخت.
جهت کسب اطلاعات بیشتر درباره انواع دستگاه های خنک کننده، انتخاب مناسب ترین دستگاه برای پروژه خود و نیز استعلام قیمت آنها با مهندسان دلتا کولینگ تماس بگیرید.
1) ساختمان اصلی برج
در ساخت بدنۀ اصلی برج‌های خنک کننده اغلب از مخلوط بتن و میلگردهای فولادی استفاده می‌شود. البته امروزه از مصالح دیگری مانند فایبر گلاس یا آلیاژهای فلزی نیز ممکن است در ساخت برج‌های خنک کننده استفاده شود. استفاده از فایبر گلاس به خاطر وزن پایین، مقاومت در برابر مسائلی مانند خوردگی و …، استحکام مناسب و مقاومت بالا در برابر تابش نور خورشید، شرایط آب و هوایی متغیر و … مورد استقبال طراحان کولینگ تاور قرار گرفته است. به صورتی که بسیاری از طراحان و سازندگان به سراغ برج‌های خنک کننده فایبر گلاس رفته‌اند.
2) سیستم آبرسانی
آب مهم‌ترین جزء در ساخت برج‌های خنک کننده است. به همین خاطر از طراحی‌های متفاوتی جهت آبرسانی در برج‌های خنک کننده یا کولینگ تاور استفاده می‌شود. به طور کلی اجزای سیستم آبرسانی برج شامل اتصالات، سیستم لوله‌کشی، پمپ‌های سیرکولاسیون، آب‌پخش‌کن‌ها، نازل‌های توزیع‌کننده جریان، رایزرها و … می‌شود. طراحی سیستم آبرسانی در برج‌های خنک کننده از اهمیت بالایی برخوردار است. در زمان طراحی لازم است مواردی مانند میزان انتقال حرارت، احتمالات و خطرات ناشی از یخ‌زدگی جریان آب، افت فشار و … را در نظر گرفت.
3) سیستم هوادهی یا همان فن برج خنک کننده یا کولینگ تاور
در برج‌های خنک کننده اغلب از فن‌های قدرتمندی به منظور هوادهی کمک گرفته می‌شود. البته به طور کلی سیستم هوادهی می‌تواند به دو شکل هوادهی اجباری و آزاد طراحی شود. که در شکل آزاد دیگر نیازی به استفاده از فن نیست و جریان هوا به صورت آزاد و بر اساس گرمایش از پایین برج به سمت بالا صعود می‌کند. اما در طراحی اجباری از فن‌ها با طراحی‌های متفاوتی کمک گرفته می‌شود.
فن را می‌توان در پایین برج یا در بالای برج نصب کرد؛ که در روش اول وظیفۀ فن هوادهی است و در روش دوم فن وظیفۀ مکش جریان هوا را برعهده خواهد داشت. جزء دیگری که در سیستم هوادهی برج خنک کننده باید در نظر گرفت، شیوۀ انتقال نیرو به فن است. انرژی لازم جهت به گردش در آوردن فن را می‌توان به کمک یک الکتروموتور تأمین کرد. این الکتروموتور را می‌توان به شکل مستقیم یا به کمک تسمه و پولی به فن متصل کرد.
4) سطوح خنک‌کننده
با توجه به اینکه انتقال حرارت در برج های خنک کننده بر اساس تماس مستقیم جریان آب و جریان هوا صورت می‌گیرد، پس یکی از پارامترهای مهم در زمان طراحی افزایش میزان سطح تماس قطرات آب با جریان هوا خواهد بود. برای این کار از سطوح خنک کننده یا پکینگ استفاده می‌شود. با توجه به اینکه طول برج‌های خنک کننده محدود است، جهت افزایش سطح تماس از سطوح خنک کننده‌ای کمک گرفته می‌شود که به صورت متخلخل طراحی شده‌اند و نسبت مساحت تماس به حجم سطوح خنک‌کننده باید تا حتی‌امکان بالا باشد. برای بیان این نسبت از پارامتری به نام سطح ویژه استفاده می‌کنند که بر اساس سطح در واحد حجم تعریف می‌شود و واحد آن m2/m3 است.
جنس سطوح خنک‌کننده اغلب از جنس چوب، سفال، مواد پلیمری، بلوک‌های بتنی و … است. متداول‌ترین شکل طراحی این سطوح نیز به شکل لانه زنبوری یا تیغه‌ای است.
5) قطره‌گیر
طراحی صورت گرفته برای برج‌های خنک کننده به گونه‌ای است که بالاخره مقادیری از آبی که از بالا درون برج پاشش می‌شود، توسط جریان هوا به سمت بالا برده شده و از درون برج خارج می‌شود. مسئله‌ای که باعث افزایش رطوبت هوا شده و همچنین خیلی مطلوب طراحان نیست. به همین خاطر است که از صفحات قطره‌گیر جهت کاهش میزان رطوبت جریان هوا و گیر انداختن قطرات ریز آب کمک گرفته می‌شود. قطره‌گیرها به طور معمول از جنس آلیاژهای فلزی یا ورقه‌های پلیمری ساخته می‌شود. مهم‌ترین شکل طراحی این ورقه‌ها به صورت تیغه‌ای یا لانه زنبوری است که جریان هوا را کند کرده، باعث به دام افتادن قطرات ریز آب می‌شوند.
6) لوور برج خنک کننده یا کولینگ تاور
به برج خنک کننده عامل دیگری است که روی عملکرد آن تأثیر مستقیم دارد. به همین خاطر برای بهبود بخشیدن به آن از صفحاتی به نام لوور استفاده می‌شود. لوور یا کرکره ورودی هوا کنترل‌کنندۀ حجم هوای ورودی به داخل برج است. میزان هوای ورودی به برج تحت دو پارامتر تعیین می‌شود. پارامتر اول به شرایط آب و هوایی منطقه بستگی دارد و در حقیقت سرعت هوای ورودی به برج در شرایط آب و هوایی را مشخص می‌کند. این پارامتر به طور کلی عددی بین پنج تا ده متر بر ثانیه در نظر گرفته می‌شود. عامل دوم اما به طراحی برج برمی‌گردد و در حقیقت مساحتی است که از آن هوا وارد برج خنک کننده می‌شود. این عامل تحت کنترل لوورها یا کرکره‌های هوا بوده و می‌تواند دبی هوای ورودی به برج خنک کننده را تنظیم کند.
در طراحی و ساخت لوورها اغلب از ورقه‌های فایبر گلاس استفاده می‌شود. زیرا در برابر جریان هوا مقاومت بالایی دارند، دچار خوردگی نمی‌شوند و از طول عمر مناسبی نیز بهره می‌برند. شکل طراحی این کرکره‌ها نیز می‌تواند به صورت تیغه‌ای یا لانه زنبوری باشد. لوورها بستگی به شکل طراحی برج ممکن است در کف برج یا دیواره‌های آن نصب شوند.
دسته‌بندی بر اساس جهت حرکت هوا و آب
جریان متقاطع
هوا و آب در این نوع برج به صورت عمود یا «متقاطع» (cross flow) به یکدیگر وارد می‌شوند. هوا از دیواره‌های عمودی وارد می‌گردد و با آب که از بالا در حال اسپری شدن است، تماس پیدا می‌کند. نیروی گرانش آب را به صورت یکپارچه و عمود بر جهت حرکت هوا به پایین می‌کشد. هوای متلاطم بعد از گذر از مسیر ریزش آب روی پرکننده‌ها وارد یک فضای خالی می‌گردد. حین این تماس دمای آب پایین می‌آید. هوا در حقیقت توسط فن‌های نصب شده به بیرون مکیده می‌شود.
مزایا
- هزینه‌ی پایین بهره‌برداری به دلیل کم بودن هد پمپ مورد نیاز
- نگهداری ساده
- مصرف انرژی پایین
معایب
- بیشترین سهم بازگشت آب به مسیر نامناسب
- ورود مواد زائد به قسمت پرکننده
کاربرد
- صنایع گرمابر در پتروشیمی
- صنایع آلومینیوم و فشرده‌سازی هوا
جریان ناهم‌جهت
در این نوع تجهیز، جریان هوا دقیقا در خلاف جهت جریان آب وارد می‌گردد. هوا از پایین برج نزدیک قسمت پرشده وارد و از بالا خارج می‌شود. آب از بالا روی پرکننده‌ها اسپری می‌شود و در تماس «غیرهم‌جهت» (counter current) بیشترین سطح و زمان تماس با هوا را تجربه می‌کند. هوا گرما را از آب می‌گیرد و توسط فن از بالا به بیرون پرتاب می‌شود.
مزایا
- بیشترین تماس آب و هوا به دلیل توزیع قطرات
- بیشترین بازده در میان تمام انواع برج‌ها
معایب
- تولید صدای زیاد به دلیل اسپری و ریزش آب
- تعمیرات و نظافت سخت
کاربرد
- پالایشگاه‌های نفتی و گازی، پتروشیمی
دسته‌بندی بر اساس نوع مکش هوا
مکش طبیعی
برج‌های خنک‌کننده با «مکش طبیعی» (Natural draft) گرمای اضافی سیستم را می‌گیرند و به اتمسفر تخلیه می‌کنند. در این فرایند آب گرم با کمک پمپ از ورودی آب گرم نزدیک به بالای برج وارد می‌شود. تعدادی نازل متصل به ورودی آب گرم، آب را درون برج اسپری می‌کنند. هم‌زمان هوا در جهت مخالف از پایین برج وارد می‌شود. آب در تماس با هوا شروع به تبخیر می‌کند. از آنجا که تبخیر فرایندی گرماگیر است، آب باقی‌مانده خنک می‌گردد. آب خنک شده در مخزن زیر برج جمع‌آوری و دوباره به فرایند بازگردانده می‌شود.
دمای هوا به دلیل گرفتن گرما از آب در حال تبخیر بالا می‌رود. هر چه دما بالاتر رود چگالی هوا کمتر و در نتیجه میل به صعود بیشتر می‌شود. مشابه این پدیده را در بالا رفتن هوای گرم در خانه یا دود داغ در بخاری مشاهده می‌کنید. به همین دلیل مکشی طبیعی ایجاد می‌گردد که هوا را از پایین تا بالای برج میبرد و آن را به بیرون پرتاب می‌کند.
تصویری از یک برج خنک‌کننده با مکش طبیعی را در زیر مشاهده می‌کنید.
مزایا
- هزینه‌ی پایین نگهداری و بهره‌برداری
- ایمنی بالا
- بازده بالای انرژی
معایب
- عدم تطابق با تمام شرایط اتمسفری
- فضای مورد نیاز زیاد برای نصب
- هزینه‌ی بالای اولیه
کاربرد
- مورد استفاده در نیروگاه‌های تولید برق و کاربردهای فرایندی
مکش مکانیکی
در این نوع از برج‌های خنک‌کننده از «مکش مکانیکی» (mechanical draft) برای جابه‌جایی هوا استفاده می‌گردد. خود این دسته به دو گروه زیر تقسیم می‌شود.
«دمیدن اجباری» (forced draft)
در این نوع دمیدن، هوا با کمک یک فن که در پایین برج تعبیه شده است، به بالا هل داده می‌شود. آب گرم نیز از بالای برج وارد می‌گردد. تماس غیرهم‌جهت آب و هوا منجر به تبخیر بخشی از آب و انتقال گرما به هوا می‌شود. میزان سرمایش در این مبدل‌ها نسبت به نوع دیگر کم است و محدودیت‌هایی از نظر عملیاتی (گردش هوای گرم شده و ورود مجدد به برج) دارد.
مزایا
- بهره‌برداری و تعمیر آسان به دلیل دسترسی به فن، موتور و قطعات در پایین برج
- مناسب در مقاومت زیاد هوا
معایب
- نیاز به توان بالای فن
- مشکل در چرخش هوای گرم شده و ورود مجدد به برج
کاربرد
دسته بندی انواع برج خنک کننده
انواع برج خنک کننده را می توان از نظر نوع جریان هوای جاری در آن ، از نظر مدار باز یا مدار بسته بودن ، از نظر جنس بدنه خارجی و از نظر شکل ظاهری به ۱۰ نوع مختلف دسته بندی کرد. انواع برج خنک کننده شامل برج خنک کننده جریان متقاطع و برج خنک کننده جریان مخالف از نظر نحوه ورود هوا ، برج خنک کننده مدار بسته و برج خنک کننده مدار باز از نظر نوع تبادل حرارت و سایر تقسیم بندی ها بر اساس شکل ظاهری، جنس و غیره است که در ادامه آنها را بررسی می کنیم. با شناخت انواع برج های خنک کننده ، محدودیتها ، مزایا و معایب آنها می توان مناسب ترین نوع را برای یک پروژه انتخاب نمود.
۱ . دسته بندی انواع برج خنک کننده از نظر جهت جریان هوا
۱ . ۱ . برج خنک کننده جریان متقاطع
در برج خنک کننده جریان متقاطع ، هوا از دیوار جانبی برج و به صورت افقی و آب داغ به صورت عمودی از بالا به پایین جریان می یابد و برخورد آن دو به صورت متقاطع (عمود بر هم) است. این دو جریان وارد پکینگ (پکینگ قطعه ای است پلاستیکی که سطح تماس آب و هوا را افزایش می دهد) می شوند. جریان هوا توسط مکش فن و جریان آب داغ در اثر نیروی جاذبه ایجاد می شود.
هوا با عبور از لابلای صفحات پکینگ به صورت جریان مغشوش درآمده و در اثر برخورد مستقیم با ذرات آب داغ، گرمای بیش از حد آب را می گیرد. هوا که درجه حرارت آن بالا رفته از قسمت بالایی برج خنک کننده جریان متقاطع و از لای پره های فن به بیرون راه پیدا می کند و آب که درجه حرارت آن کاهش یافته در صفحه زیرین برج جمع می گردد و از یک لوله خارج می شود تا دوباره برای خنک کاری دستگاه صنعتی و یا دستگاه تهویه مطبوعی مانند کندانسور چیلر آماده باشد.
۱ . ۲ . برج خنک کننده جریان مخالف
در برج خنک کننده جریان مخالف ، هوا از قسمت زیرین برج و به شکل عمودی از پایین به بالا و توسط مکش فن ، جریان می یابد. آب داغ نیز پس از افشانده شدن از نازل ها از قسمت بالایی برج خنک کننده جریان مخالف وارد و در اثر نیروی گرانش از بالا به پایین جریان می یابد و همانند برج خنک کننده جریان متقاطع که توضیح داده شد، این دو جریان در پکینگ به هم رسیده و مبادله گرمایی انجام می دهند. علت استفاده از نازل ها در این نوع این است که دو جریان در خلاف جهت یکدیگر هستند و آب باید با فشار افشانده شود تا بر جریان هوای رو به بالا غلبه کرده تا بتواند رو پایین حرکت کند. بنابرین در برج خنک کننده جریان مخالف از نازل های تزریق آب استفاده شده ولی در نوع جریان متقاطع استفاده نمی شود.
یک نکته اینکه هوا قسمتی از آب داغ را بخار کرده و قسمتی را نیز به صورت ذرات ریز مایع به همراه خود از برج خارج می کند که قبل از فن یک قطعه به نام Drift Eliminator (قطره گیر) قرار می گیرد که قطرات آب را جمع و مجددا به برج بر می گرداند.
۲ . دسته بندی از نظر مدار باز یا مدار بسته بودن
۲ . ۱ . برج خنک کننده مدار باز
تمام برج های خنک کننده ای که در آن آب با هوا تماس مستقیم داشته و قسمتی از آب تبخیر می گردد با نام مدار باز شناخته می شوند که باید آبی به مرور زمان به عنوان آب جایگزین وارد مدار آن گردد. بنابرین در این نوع از برج ها مصرف آب وجود دارد. این برج ها با نام برج خنک کننده مرطوب یا تبخیری نیز شناخته می شوند که ساختار کامل آن را می توانید در متن زیر مطالعه کنید.
۲ . ۲ . برج خنک کننده مدار بسته
اگر آب داغ درون لوله هایی جریان یابد و هوا از اطراف لوله ها توسط فن عبور داده شود، در این صورت هوا با آب تماس فیزیکی نداشته و به اصطلاح به آن برج خنک کننده مدار بسته (یا برج خنک کننده خشک یا هوا خنک) گفته می شود که بیشتر به جای کاربرد واژه برج از نام های دیگری مانند مبدل حرارتی هوا خنک یا درای کولر (Dry Cooler) برای نام گذاری آن استفاده می شود.
علت جلوگیری از برخورد مستقیم آب با هوا ، جلوگیری از تبخیر آب و نیز ایجاد آلودگی در آب و انتقال آن به هوا است که با توجه به شرایط آب و هوای پروژه، راندمان مورد نیاز، قیمت و … یکی از دو سیستم برج خنک کننده مدار باز و یا برج خنک کننده مدار بسته مورد استفاده قرار می گیرد که ساختار کامل آن را می توانید در متن زیر مطالعه کنید.
۳ . دسته بندی از نظر جنس بدنه
۳ . ۱ . فایبرگلاس
۳ . ۲ . فلزی
انواع برج خنک کننده از نظر جنس بدنه به انواع کامپوزیتی ، فلزی ، بتنی و … دسته بندی می شوند که امروزه در ظرفیت های کمتر از ۱۲۰۰ تن تبرید، نوع کامپوزیتی به علت مزایای فراوان کامپوزیت نسبت به فلز، کاربرد گسترده تری دارد. همچنین در ظرفیت های بالاتر از ۱۲۰۰ تن تبرید به صورت بتنی باید طراحی و ساخته شود.
۴ . دسته بندی از نظر جنس شکل ظاهری
۴ . ۱ . برج مکعبی
۴ . ۲ . برج مدور یا گرد
انواع برج خنک کننده از نظر شکل ظاهری نیز به دو نوع گرد و مکعبی دسته بندی می شوند که معمولا با توجه به جانمایی دستگاه در محل پروژه یکی از این دو مدل انتخاب و ساخته می شود.