برج خنک کننده

برج خنک کننده یا کولینگ تاور یکی از مهمترین انواع خنک کن های صنعتی آب محسوب می شود که وظیفه کاهش دمای آب در چرخه های گرمازدایی را برعهده دارد.کولینگ تاور Cooling tower مترادف انگلیسی برج خنک کن می باشد که در اصطلاحات عامیانه نیز مورد کاربرد قرار می گیرد.

برج خنک کننده به تجهیزی در صنایع‌برودتی گفته می‌شود که وظیفه ایجاد کاهش دما در یک مایع با ظرفیت‌گرمایی‌ویژه بالا(عموما آب) را برعهده دارد.آب به دلیل داشتن ظرفیت‌گرمایی‌ویژه بالا بهترین سیال در دفع و جذب انرژی‌گرمایی در صنعت و در برج‌خنک‌کننده محسوب می‌شود. به عبارتی ساده‌تر وظیفه برج‌خنک‌کننده دفع انرژی‌گرمایی جذب‌شده از دستگاه‌های گرمازا به محیط بیرون می‌باشد. برج‌خنک‌کننده در واقع انرژی‌گرمایی زاید تولید‌شده توسط یک چرخه‌صنعتی را توسط آب جذب می‌نماید و حرارت مازاد جذب‌شده را توسط هوا به محیط بیرون انتقال می‌دهد.

برج خنک کننده در واقع مولدی است از انرژی سرمایی یا دستگاهی است که گرمای مازاد دستگاه های صنعتی را به هوای آزاد محیط انتقال می دهد. در برج خنک کننده هدف اصلی فراهم آوردن میزان معینی از آب سرد برای گرفتن گرما از تجهیزات صنعتی می باشد. در واقع برج خنک کننده با ایجاد برخورد بین قطرات ریز آب با هوای محیط بیرون سبب خنک شدن آب مداراصلی در کولینگ تاور می شود.

لزوم استفاده از برج خنک کننده در صنعت

در تحلیل های اقتصادی و در امکان سنجی تولید مرتبط با شاخه صنایع کوچک و بزرگ به هر میزان دستگاه های صنعتی تولید بیشتری داشته باشند سودآوری صنایع نیز بیشتر خواهد بود. در صنعت فولاد در بسیاری از کارخانجات بزرگ دائماً نیازمند آب سرد فراوان از برج خنک کننده برای کاهش دمای کوره می باشند. به هر میزان بتوانیم آب سرد بیشتری تولید کنیم راندمان تولید نیز بیشتر خواهد بود. بنابراین برج خنک کننده در نقطه ای بسیار مهم همانند یک چرخ دنده کوچک و حساس از یک سیستم صنعتی قرار دارد. برج خنک کننده با تأمین آب سرد در فصل های مختلف برای ادوات و ماشین های صنعتی سبب افزایش راندمان دستگاه ها و افزایش سودآوری می شود.

تاریخ استفاده از برج خنک کننده

در سال 1910 در اوایل دهه اول میلادی بسیاری از صنایع تولید و استخراج نفت که در حوزه دریا و آب های بیکران قرار داشته بودند تصمیم گرفتن به جای استفاده یک بار مصرف از آب دریا جهت خنک نمودن سیستم های خود همانند توربین ها و برج های تقطیر از کولینگ تاورها و برجهای خنک کننده با سیستم باز برگشت آب خنک استفاده نمایند. در گذشته جهت خنک کردن دستگاه های بزرگ و ماشین آلات صنعتی از آب دریا یا چاه های زیر زمینی استفاده می شد و این آب پس از مصرف در دستگاه ها و خنک کردن آن ها به محیط دور ریخته می شدند. سازمان محیط زیست در پی عوارض این موضوع تصمیم گرفت استفاده از چاه های زیر زمینی رو برای صنایع بزرگ جهت خنک کاری سیستم های خود منع نماید. با بروز مشکلات پیاپی در صنعت تبرید شرکتهای بزرگی همانند مارلی و کلی و ابارا تصمیم گرفتن در کنار دستگاه های خود شروع به تولید برج های خنک کننده نمایند.

انواع مختلف برج خنک کننده

برج خنک کننده انواع مختلفی دارد و وابسته به نیازهای طراحی ممکن است در انواع مدارباز، مداربسته و مداربسته هیبریدی در قالب بدنه فایبرگلاس تولید و عرضه می گردد.عموماً تماس بین آب و هوا و نوع جریان هوا سبب طراحی نوع های دیگری از کولینگ تاور در اجرا و محاسبه خنک کاری آب می گردد. برج های خنک کننده مداربسته بیشتر در مناطق سردسیر بکار می رود و از مصرف آب بسیار کمی برخوردارند و این درحالی است که برج خنک کن مدارباز یا مرطوب در مناطق گرمسیری به کار برده می شود.

از طرفی دیگر طراحی کولینگ تاور یا برج خنک کن در مناطق مرطوب و شرجی همانند مناطق ساحلی و شهرهای شمال و جنوب کشور با بخش های مرکزی و شرقی کشور متفاوت خواهد بود. به عنوان مثال برای طراحی یک کولینگ تاور در شهر زاهدان یا یزد باید از سیستم های کانترفلو استفاده نمود و این درحالی است که به منظور خنک سازی آب در شهری همانند عسلویه یا بوشهر از کولینگ تاور های کراس فلو استفاده می شود.

انتخاب برج خنک کننده

در بیانی ساده تر انتخاب نوع برج خنک کننده بسیار وابسته به شرایط محیطی ، شرایط طراحی (دمای ورودی و خروجی و میزان دبی آب در گردش) و همچنین تابع میزان مصرف انرژی در نظر گرفته شده (میزان مصرف آب جبرانی و برق ) می باشد. بیشتر شرکت های صنعتی امروزه علاوه بر مطالب بالا بیشتر به دنبال تعمیر و نگهداری راحت و آسان برج خنک کننده در سیستم تأسیسات برودتی خود می باشند. از این رو کاهش صدا ، کاهش میزان رسوب گرفتگی و استفاده از متریال های مرغوب از دیگر عوامل دخیل در انتخاب صحیح برج خنک کننده می باشد.

به دلیل محدودیت های کاهش دمایی برج خنک کننده در فصول گرم از این منبع برودتی در برخی موارد به عنوان تجهیز پیش سرمایش قبل از چیلر استفاده می شود تا باکاهش ظرفیت چیلر هزینه های ناشی از آن نیز کاهش پیدا کند.

قطعات اصلی برج خنک کننده

• نازل یا افشانک برج خنک کننده:

پاشش کننده آب در سیستم توزیع آب ثابت در کولینگ تاور مکعبی

• آب پخش کن یا اسپرینکلر یا آب گردان:

توزیع و چرخش آب در برج خنک کننده گرد یا مدور

• پکینگ یا سطوح خنک کننده:

ایجاد کننده سطوح تبادل حرارت زیاد بین آب و هوا

• قطره گیر یا دریفت المیناتور:

خودداری از پرتاب قطرات ریز آب به سمت پروانه

• موتور برج خنک کننده:

تامین نیروی لازم جهت چرخش پروانه یا فن توسط دینام یا الکتروگیربکس فراهم می شود.برق تمامی برج های خنک کننده از نوع سه فاز و در ایران با فرکانس 50 هرتز می باشد.

• پروانه یا فن کولینگ تاور:

وظیفه ایجاد جریان اجباری در هوای ورودی به برج خنک کننده بر گردن پروانه می باشد که قالباً در قسمت بالایی در نزدیکی عرشه یا تنوره نصب می شود.

• فولی موتور(folly):

این قسمت به سر شفت خروجی موتور اتصال می یابد و توسط تسمه به پولی پروانه متصل می گردد.

• پولی پروانه یا فن مکنده:

پولی پروانه شامل شافت، بلبرینگ و پولی بوده که به قسمت مرکزی فن متصل شده و دور موتور را کاهش می دهد.

• تسمه یا بلت (belt):

این بخش وظیفه اتصال بین فولی موتور و پولی فن را بر عهده دارد.تسمه ها عموماً از جنس نرم و انعطاف پذیر بوده و در کولینگ تاور از تسمه های نوع V استفاده می گردد.

• سیستم اتصالات و کانکشن های اصلی کولینگ تاور:

سیستم اتصالات و کانکشن ها شامل فلنچ ها ، سردنده ها و شیرهای جانبی جهت تنظیم میزان جریان آب در نقاط مختلف می باشد.

• بدنه برج خنک کننده:

یکی از تاثیرگذارترین اجزای برج خنک کننده در واقع بدنه این دستگاه می باشد.بدنه وظیفه جمع آوری کلیه تجهیزات جانبی کولینگ تاور را بر عهده دارد.

جرئیات در مورد بدنه برج خنک کننده

اجزای اصلی بدنه برج خنک کننده

• عرشه فن (fan Deck)
• کرکره های هوا (Louvre)
• تشت آب سرد (basin)
• دیواره های جانبی (panel)
• ستون های پایه(column)

بدنه برج خنک کننده در واقع از یک سو در تماس دائم با آب در حال گردش و از سوی دیگر نیز به دلیل نصب در محیط بیرون در تماس مستقیم با تابش نور خورشید و آلاینده های محیطی می باشد . بنابراین بدنه این مدل خنک کننده صنعتی باید از استانداردهای مخصوص برخوردار باشد.

بدنه برج خنک کننده باید از مقاومت مناسبی دربرابر رسوب و خوردگی ناشی از گردش آب برخوردار باشد. همچنین بدنه برج خنک کننده باید تابش نورخورشید را انعکاس دهد و یا در مقابل تابش نورخورشید دچار آفتاب سوختگی نگردد و یا در شرایطی که آلاینده های محیطی در تماس با کولینگ تاور می باشد این تجهیز باید دارای بدنه ای مقاوم در برابر این آلاینده ها و گرد و غبار نیز دارا باشد.

در واقع بدنه برج خنک کننده اصلی ترین بخش نگهدارنده استراکچر پایه محسوب می شود که باتوجه به نوع کاربری ، نوع برج خنک کن و شرایط اقلیمی در انواع مختلفی طراحی می شود . بدنه برج خنک کننده در بسیاری از نیروگاه ها به صورت یک سازه یکپارچه بتنی است و این درحالی است که بدنه کولینگ تاور برای انواع برج خنک کن چیلر با سازه فایبرگلاس (الیاف فشرده فیبر پلاستیک و شیشه) تولید می شود.

اصطلاحات طراحی برج خنک کننده

اختلاف دمای‌ورودی و دمای‌خروجی جریان‌آب در اصطلاح رنج(Range)نامیده می‌شود که این پارامتر در طراحی برج‌خنک‌کننده باز (نام دیگر برج‌خنک‌کن‌تر) بین 5 الی 7 درجه سانتی‌گراد در نظر گرفته می‌شود. افت دمای ایجادشده یا رنج در برج‌خنک‌کننده‌مرطوب وابسته به عوامل زیر می باشد.

1- حجم‌هوادهی و میزان جریان‌مکانیکی‌هوا (Air Flow)

2-میزان سطوح‌انتقال‌حرارت (Cross Sectional Area)

3-دمای‌مرطوب‌محیط(Wet Bulb Temperature)

دمای آب خنک‌شده از کولینگ‌تاور نیز وابسته به محدودیت‌هایی همچون محیط اقلیمی محل قرارگیری و ظرفیت‌برودتی برج‌خنک‌کننده می‌باشد. دمای‌ آب خنک خارج‌شده از کولینگ‌تاور در بازه عددی بین 3 تا 5 درجه سانتیگراد بالاتر از دمای‌مرطوب‌محیط(Wet Bulb Temperature) می‌باشد. میزان نزدیکی و تقرب دمای آب سرد خروجی به دمای‌مرطوب‌هوا را تحت عنوان، Approach در اصول طراحی برج‌خنک‌کننده می‌شناسند. طبق اصول استاندارد کم‌ترین میزان آپروچ معادل با 2.8 درجه‌سانتی‌گراد(5 درجه‌فارنهایت) می‌باشد که البته رسیدن به این میزان آپروچ در برج‌خنک‌کننده نیازمند ایجاد سطح موثر انتقال حرارت بسیار زیادی می‌باشد.

بنابراین: کاهش آپروچ = افزایش سطح موثر انتقال حرارت در برج خنک کننده

اطلاعات بیشتر در محاسبات برج خنک کننده

ظرفیت سرماسازی یا تن برودتی برج خنک کننده

تن تبرید واحدی است برای بیان قدرت و توان برج خنک کن در خنک سازی و خنک کاری آب که در واقع بیانی است از انتقال انرژی گرمایشی دفع شده در واحد زمان. برای محاسبه ظرفیت سرمایشی کولینگ تاور کافی است پارامترهای تاثیرگذار در محاسبه ظرفیت را برآورد نمایید و با تعیین پارامترهای محاسباتی برج خنک‌کننده ، ظرفیت برودتی یا توان برودتی توسط نرم‌افزارهای مهندسی و یا فرمولهای ترمودینامیکی محاسبه می گردد.ظرفیت برج خنک‌کننده نوعی انتقال گرما در واحد زمان محسوب می‌گردد. بنابراین ظرفیت برج خنک‌کننده با واحدهایی همچون تن‌تبرید(Refrigeration Ton) یا به صورت مخفف TRو نیز با واحدهای دیگر همچون بی‌تی‌یو بر ساعت و کیلووات نیز بیان می‌شود.

فرآیند ساخت و تولید برج خنک کننده

ساختن و تولید کردن دستگاهی همانند برج خنک کن که از بخشها و قطعات بسیاری تشکیل شده است فرآیندی است که باید تمامی جوانب را در نظر گرفت. تولید و ساخت برج خنک کننده شامل بخشهایی از تولید قطعات فایبرگلس FRP و GRP ، ریخته گری قطعات فلزی ، تراشکاری ، جوشکاری ، تزریق قطعات پلاستیکی(نازل و پکینگ و قطره گیر) و مونتاژ تجهیزات و اجزای اصلی و داخلی می باشد. در هر یک از بخش های تولید و ساخت کولینگ تاور باید استانداردها و رعایت موارد اصولی و فنی را مد نظر قرار بدهیم تا بتوانیم خروجی کار دستگاهی با کیفیت بالا تولید کنیم . یک شرکت سازنده برج خنک کن باید در نظر داشته باشد که نظارت فنی را در هر مرحله بر روی تولید و مونتاژ انجام دهد تا ضریب خطا در تولید و ساخت کولینگ تاور به حداقل ممکن کاهش پیدا کند.

مراحل اصلی و اساسی تولید و ساخت برج خنک کن

• تولید قطعات کامپوزیتی و فایبرگلاس
• تزریق قطعات پلاستیکی همانند افشانک و پوشالهای داخلی
• ریخته گری شمش و قالب قطعات فلزی همانند کاهش دور و اسپرینکلر
• تراشکاری قطعات فلزی همانند فلنچ ها ، آب پخش کن ، تسمه و پولی کولینگ تاور
• برشکاری و جوشکاری قطعات فلزی، ساپورتها، فن گارد، پایه موتور ، زیرپکینگها
• مونتاژ و اسمبل قطعات فایبرگلس بدنه و قطعات داخلی کولینگ تاور
• نظارت تولید ، نصب و مونتاژ توسط واحد QC

روش های مختلف تولید برج خنک کننده

یک برج خنک کن یا کولینگ تاور که از متریال فایبرگلاس ساخته شده باشد توسط یک سازنده می تواند به دو روش کلی ارائه گردد.

• روش اول تولید برج با استفاده از مونتاژ و اسمبل کردن در کارخانه: در ظرفیت های پایین کولینگ تاور که ابعاد دستگاه توسط ماشین آلات حمل و نقل امکان ارسال دارد از مونتاژ و تولید دستگاه در محل کارخانه استفاده می شود.
• روش دوم تولید و مونتاژ در محل کولینگ تاور: این شیوه قالباً در زمانی که ابعاد برج بزرگتر از حد معمول بوده یا ارسال و حمل کالا در شرایط عادی امکان پذیر نباشد به صورت منتاژ در محل ارائه می گردد.

بخش های عملیات نظارت بر تولید در برج خنک کننده (Quality Control)

• نظارت بر جوشکاری ، لحیم کاری و ارائه مدرک WPS
• نظارت بر تزریق مواد گرانولی و عدم وجود خلل و فرج در قطعات تولیدشده
• نظارت بر ریخته گری و کنترل نمودن قطعات ریخته گری شده در قالب
• نظارت بر تولید قطعات فایبرگلاس ، زمان ژل تایم و ...
• نظارت بر مونتاژ و اسمبل نهایی برج خنک کننده
• چک لیست نهایی که توسط ناظر کل چک شده قبل از هماهنگی ارسال برج خنک کن

انواع برج خنک کننده یا کولینگ تاور

مدار باز یا مرطوب: آب در تماس با هوای محیط تا نزدیکی دمای مرطوب یا اشباع محیط خنک شده و هوای خروجی از کولینگ تاور کاملاً به حالت اشباع شده می رسد.

مدار بسته یا خشک: آب داغ در تماس با هوای خشک محیط تا دمای خشک محیط کاهش می یابد و هوای خشک خروجی همچنان بدون رطوبت خواهد بود.

مدار ترکیبی یا هیبریدی : این نوع کولینگ تاور ترکیبی از برج مدار باز و مداربسته بوده که به لحاظ راندمان و مصرف انرژی دارای مزایای بی شماری می باشد.

انواع برج خنک کننده به لحاظ نوع طراحی

برج خنک کننده القایی: به منظور ایجاد جریان هوا از یک فن دمش کننده یا مکش کننده استفاده می کند.

برج خنک کننده طبیعی یا اتمسفریک: به منظور تماس هوا از هوای محیط آزاد استفاده می شود و فن ندارد.

انواع برج خنک کننده به لحاظ نوع هوادهی و جریان فن

• جریان ناهمسو یا کانتر فلو : جهت جریان هوا برخلاف جریان ریزش آب می باشد.
• جریان عمود یا عرضی (کراس فلو) : جهت جریان هوا عمود بر جهت پاشش قطرات آب می باشد.

انواع برج خنک کننده مدار باز یا تر

• مکعبی: کولینگ تاورهای مکعبی عموماً دارای طول و عرض یکسان بوده و ارتفاع آن ها نیز کمی بیشتر از طول و عرض می باشد. دارای 4 ورودی هوا در 4 طرف بوده که از آن قسمت هوای خشک را به سمت بالا مکش می نماید. بدنه این دستگاه از متریال فایبرگلاس ، گالوانیزه و بتنی می تواند تولید شود و دارای سیستم پاشش آب ثابت نیز می باشند.
• مخروطی: برج های خنک کن استوانه ای یا مدور دارای قطر زیاد با ارتفاع کم بوده و همانند سیستم های مکعبی دارای ورودی های هوا توسط لوورهای کرکره ای بوده که جریان هوا از پایین به سمت بالا هدایت می شود و در تماس با جریان آب چرخشی خروجی از آب پخش کن از قسمت فن استک خالی می گردد.
• شش ضلعی: تولید این مدل منسوخ شده و در یک دوره خاص توسط یک سری از تولیدکنندگان تولید می شد که به دلایل ضعف طراحی عملاً از خط تولید سازندگان برج خنک کننده حذف شده است.
• مستطیلی: برج های خنک کننده کراس فلو یا جریان متقاطع با عبور جریان عرضی دارای استراکچر مکعبی می باشد. برجهای کانترفلو نیز در بسیاری از موارد که به صورت دو سلولی در کنار هم قرار می گیرد به صورت مستطیل تولید می گردد که امروزه به دلایل کم بودن مصرف انرژی و موضوع تسهیل مدیریت انرژی کاربرد فراوانی دارند.