برج خنک کننده

در اکثر کارخانجات کوچک و بزرگ یکی از مهم‌ترین و اساسی‌ترین دستگـاه‌ها می‌توان انواع برج‌های خنک کننده را نام برد.
برج‌های خنک کننده علاوه بر آب به منظور خنک کردن سیالاتی دیگر در صورت لزوم مورد استفاده واقع می‌شوند.
با توجه به اینکه برج‌های خنک کننده معمولاً حجیم می‌باشند و به علت پاشیدن آب در محیط اطراف خود و خرابی تجهیزات آن را معمولاً در انتهای فرایند نصب می‌کنند.
اگراز وسایل برج‌های خنک کننده صرف نظر نشود برای ساخت برج تکنولوژی بالایی نیاز نیست همان طور که در ایران در حال حاضر ساخت این برج‌ها در حد وسیعی صورت می‌گیرد. برج‌ها با توجه به شرایط فیزیکی و شیمیایی خاص خود دچار مشکلاتی می‌شوند ولی معمولاٌ زمانی لازم است تا این مشکلات برج را از کار بیاندازد طولانی است ولی عملا اجتناب ناپذیر است.

پیشگفتار

برج خنک کننده دستگاهی است که با ایجاد سطح وسیع تماس آب با هوا تبخیررا آسان می‌کند و باعث خنک شدن سریع آب می‌گردد. عمل خنک شدن در اثر از دست دادن گرمای نهان تبخیر انجام می‌گیرد، در حالی که مقدار کمی آب تبخیر می‌شود و باعث خنک شدن آب می‌گردد. باید توجه داشت آب مقداری از گرمای خود را به طریق تشعشع، هدایتی و جابجایی و بقیه از راه تبخیر از دست می‌دهد.

بیش‌تر برج‌های خنک کننده از یک مدار بسته تشکیل شده‌اند که آب در این دستگاه‌ها نقش جذب، دفع و انتقال گرما را به عهده دارد، یعنی گرمای بوجود آمده توسط ماشین جذب و از دستگاه دور می‌سازد. این کار باعث ادامه کار یکنواخت و پایداری دستگاه می‌شود.

در دستگاه‌هایی که به دلایلی مجبوریم آب را به گردش در آوریم و یا به کار ببریم باید به نحوی گرمای آب را دفع کرد. با بکار بردن برج خنک کننده این کار انجام می‌گیرد. در تمام کارخانه ها تعداد زیادی دستگاه‌های تبدیل حرارتی وجود دارد که در بیش‌تر آن‌ها آب عامل سرد کنندگی است.

بدلایل زیر آب معمول‌ترین سرد کننده است:
1- به مقدار زیاد و ارزان در دسترس می‌باشد.
2- سهولت استفاده.
3- قدرت سرد کنندگی آب نسبت به اکثر مایعات (در حجم باربر) بیش‌تر است.
4- انقباض و انبساط آب با تغییر درجه حرارت جزیی است.


هر چند که آب برای انتقال گرما بسیار مناسب است با بکار بردن آن باعث بوجود آمدن مشکلاتی نیز می‌شود. آب با سختی زیاد باعث رسوب سازی در دستگاه‌ها شده و همچنین از آنجایی که بیش‌تر این دستگاه‌ها از آلیاژ آهن ساخته شده‌اند مشکل خوردگی بوجود می‌آید. از طرف دیگر بیش‌تر برج‌های خنک کننده در بر خورد مستقیم با هوا و نور خورشید می‌باشند محیط مناسبی برای رشد باکتری‌ها و میکرو ارگانیسم‌ها نیز می‌باشند که آن‌ها نیز مشکلاتی همراه دارند.

وارد شدن گرد و خاک داخل برج نیز در بعضی مواقع ایجاد اشکال می‌نماید. در کل این مشکلات باعث می‌شود که بازدهی دستگاه کم شده و در نتیجه از نظر اقتصادی مخارج زیادتری خواهند داشت.


عموماً برج‌های خنک کننده (Cooling Tower) را به سه گروه تقسیم می‌کنند:

1- برج‌های خنک کننده مرطوب
2- برج‌های خنک کننده مرطوب- خشک
3- برج‌های خنک کننده خشک

در برج خنک کننده‌ی مرطوب، آب نقش اصلی و اساسی را داشته و هدف نیز همان خنک کردن آب است. این نوع دستگاه‌ها که خود به چند گروه و دسته تقسیم می شوند در صنعت دارای کاربرد فراوانی است.

از برج خنک کننده خشک بیش‌تر در مکان‌هایی که آب کافی برای خنک کردن برج وجود ندارد استفاده می‌شود. عمل خنک کردن آب را نیز می‌توان از برج‌های سینی‌دار بصورت مرحله‌ای انجام داد. ولی عملاً بعلت وجود هزینه‌های زیاد ساخت، نگهداری و کنترل سیستم این روش معمول نمی‌باشد.

بررسی برج خنک کننده و اجزای آن

برج خنک کن دستگاهی است که با ایجاد سطح وسیعی در تماس آب با هوا، عمل تبخیر را آسان نموده و در نتیجه باعث خنک شدن سریع آب می‌گردد.
عمل خنک شدن در اثر از دست دادن گرمای نهان تبخیر انجام می‌گیرد در حالی که مقدار کمی آب بخار می‌شود و سبب خنک شدن آب می‌گردد. باید توجه داشت که آب مقدار اندکی از گرمای خود را ازطریق تشعشع و در حدود 1/4 آن را از راه هدایت و جابجایی  و بقیه را از راه تبخیر از دست می‌دهد.
اختلاف فشار بخار آب بین سطح آب وهوا باعث تبخیر می‌شود. این اختلاف بستگی به دمای آب و میزان اشباع هوا از آب دارد.
مقدار تبخیر بستگی به سطح برخورد آب با هوا و همچنین شدت جریـان هوا دارد. برای اینکه حداکثر بهره برداری که در طرح آن به کار رفته است رعایت شود در برج خنک کننده که آکنه‌های آن از نوع Splash Packing می‌باشد آب به صورت قطره‌هایی در سطوح برج پخش می‌شود تا سطح وسیعی به وجود آید البته برای این منظور می‌توان از آکنه‌های نوع Film Packing نیز استفاده کرد.
جریان هوا دربرج به صورت کشش طبیعی با استفاده از دودکش‌های هذلولی شکل یا کشش مکانیکی بوسیله بادبزن‌های مناسب در جهت مخالف آب (Counter Flow) و یا به طور متقاطع (Cross Flow) با آن به جریان می‌افتد.
   

سیستم برج خنک کننده:

در سیستم برج خنک کننده آب گرم کندانسور از برج خنک کننده عبور می‌کند و با هوا تماس می‌یابد. در برج‌های خنک کننده با کشش طبیعی، پوسته خارجی برج از بتن مسلح ساخته شده و در روی پایه‌ها تکیه دارد. هوا از قسمت پایین وارد برج خنک کننده می‌شود و به طرف بالا جریان می‌‌یابد و از دهانه‌ی بالای برج خارج می‌گردد.

تبادل حرارت بین هوای بالارونده از برج و آبی که از برج سرازیر است با تغییر حرارت محسوس در اثر اختلاف درجه حرارت بین آب و هوا انجام می‌شود. سهم این قسمت از تبادل حرارتی خیلی کم است و قسمت عمده تبادل در اثر تبخیر مقدار کمی آب که پیوسته همراه هوا می‌باشد، انجام می‌شود. در اثر این عمل مقدار زیادی گرما از آب سرازیر شده در برج خنک کننده (بستگی به مقدار آبی که تبخیر شده است) به هوا منتقل می‌گردد. ضمنا مقداری از قطرات آب بوسیله هوا به خارج از برج پراکنده می‌شود. برای جلوگیری از خروج قطرات آب یک شبکه چوب در اطراف برج و حدود 3 متر بالاتر از توده تخته‌ها قرار دارد. کمبود آب تبخیر شده در سیستم برج خنک کننده باید از منبع خارجی جبران شود که به آن «آب تکمیلی» یا «آب جبرانی» می‌گویند. برای این منظور در صورت امکان از آب رودخانه استفاده کرد یا فاضلاب‌ها را تا حد امکان صاف و تصفیه کرده و استفاده نمود.
هنگامی که از نظر فضای ساختمان برج خنک کننده محدودیتی وجود داشته باشد ظرفیت برج خنک کننده را تا حد امکان با استفاده از بادبزن‌های مخصوص و بزرگی اضافه می‌نمایند. این بادبزن‌ها مقدار عبور هوای خنک کننده در داخل برج را زیاد می‌نماید.

عوامل موثر در طراحی برج خنک کننده

عوامل موثر در طراحی برج خنک کننده را بطور خلاصه می توان بصورت زیر بیان کرد:

1- میزان افت درجه حرارت (اختلاف دمای ورودی وخروجی برج)
2- اختلاف بین درجه حرارت آب سرد و درجه حرارت مرطوب هوا
3- دمای مرطوب محیط: اصولاً خنک کردن آب زیر این دما غیر ممکن است.
4- شدت جریان آب
5- شدت جریان هوا
6- نوع آکنه‌های برج
7- روش پخش آب
 
به تجربه ثابت شده است که برای هر 10 درجه فارنهایت افت دما در برج خنک کننده میزان تبخیر در حدود یک درصد کل آب در حال گردش می‌باشد.

افزایش غلظت مواد محلول و مواد معلق در آب در حال گردش در برج خنک کننده ایجاد اشکال می‌نماید که برای جلوگیری از افزایش غلظت مواد محلول و مواد معلق مقداری از آب در حال گردش را تخلیه می‌کنند که این آب در صنعت به زیر آب معروف است.

مقدار آب برج هم چنین ممکن است تصادفی یا بوسیله باد تـقلیل یابد. اصولا در برج‌های خنک کننده مقداری آب به صورت گرد درآمده و توسط باد یا کشش از برج خارج می‌شود.

مقدار تخلیه لازم در برج برای کنترل مواد محلول و معلق مجاز را می‌توان از رابطه زیر بدست آورد:


M=(B+W)*C

B: مقدار زیر آب بر حسب gal/hr یا m3/hr
E: مقدار آب تبخیر شده بر حسب gal/hr یا m3/hr
C: ضریب غلطت پیشنهاد شده برای برج
W: مقدار آبی که توسط باد خارج می‌شود بر حسب gal/hr یا m3/hr


مقدار آبی که باد همراه خود از برج خارج می‌سازد در رابطه بالا منفی است، زیرا آب مواد محلول و معلق را نیز با خود می‌برد. بنابراین تاثیر در غلظت و بالا بردن املاح آب ندارد.

مقدار آب لازم جهت آب کسری برج از رابطه زیر بدست آورد:
MAKE UP = E +B + W

قسمت‌های اصلی برج خنک کننده:

الف) لوله‌ها و آکنه‌ها:
شامل قسمت‌های هستند که درجریان انتقال حرارت دخالت داشته در ضمن باعث می‌شود که مقدار آب گرد شده که همراه باد خـارج می‌شود کم شده و از خروج آن‌ها از برج جلوگیری شود. هم چنین نگهدار خوبی برای قسمت‌های دیگر برج می‌باشد.

ب) حوضچه:
حوضچه در پایین برج قرار دارد که آب خنک کننده در آن جـمع می‌گردد. به حوضچه یک جریان بنام آب تکمیلی یا آب جبرانی (Make Up) وارد می‌شود و یک جریان برای استفاده در دستگاه‌های تبادل حرارت از آن خارج می‌گردد. علاوه بر جمع آوری آب در حوضچه، آب قبل از اینکه به سمت کندانسور پمپ شود صاف نیز می‌گردد. حوضچه‌های برج‌های بزرگ و مفید از بتن ساخته شده‌اند. عموما این حوضچه‌ها طوری طراحی می‌شوند که برج بدون اضافه کردن آب جبرانی می‌تواند برای چندین ساعت کار کند.

ج) بادبزن‌ها:
در برج‌های خنک کننده با کشش مکانیکی باد بزن‌هایی نصب می‌شوند تا جریان هوای لازم را جهت عبور از آکنه‌ها تولید نماید. بادبزن‌ها در برج‌های خنک کننده با کشش مکانیکی کاربرد دارند.

د) حذف کننده‌ها:
این وسیله از خارج شدن قطرات آب بوسیله کشش هوا از برج جلوگیری به عمل می‌آورد. تیغه‌ها معمولا طوری نصب می‌شوند که با سطح افق زاویه‌ای در حدود 45 درجه بسازند. جنس این تیغه‌ها از چوب، فلز یا پلاستیک ممکن است ساخته شده باشند.

هـ) آکنه‌ها:
دو نوع آکنه‌ها که در برج‌های خنک کننده ممکن است مورد استفاده قرار گیرد عبارتند از:

1- Splash Packing
در این نوع آکنه‌ها آب بر اثر برخورد با تیغه‌ها پخش و به صورت قطره قطره درآمده که در نتیجه ایجاد سطح وسیع می‌نماید. از آنجایکه قطرات آب همراه پیوسته بوده و وزن سنگین دارند این نوع دسته بندی ممکن است در اثر جریان دائمی از هم گسیخته گردد.


2- Film Packing
در این نوع آکنه‌ها سطح وسیع از آب دراثرجریان آن در روی تیغه ها به وجود می‌آید به طرق گوناگون می‌توان چنین سطح وسیعی ایجاد کرد:

الف) Gird Packking
در این نوع آکنه‌ها که از یک سری شبکه‌هایی که معمولا از چوب بوده و روی یک دیگر قرار گرفته‌اند استفاده می‌شود. این شبکه‌ها طوری نصب گردیده که همراه هر شبکه با شبکه‌های اطراف خود زاویه 90 درجه می‌سازند و به این شکل در سطوح شبکه‌ها پخش می‌گردد.

ب) Random Packing
این نوع آکنه‌ها که ازموادی با سطح زیاد درست شده به طور نامنظم در داخل برج قرار دارند. یکی از دلایل نامرغوب بودن این نوع آکنه‌ها ایجاد مقاومت زیاد در مقابل جریان هوا می‌باشد. این نوع آکنه‌ها دارای قسمت‌های حلقوی است که قطر هر حلقه با طول آن برابر است. این حلقه‌ها از جنس‌های مختلفی یوده وسطح تماس آب با هوا را زیاد می‌کنند.

ج) Plate Type Film Packing
این نوع آکنه‌ها از صفحات نازک پلاستیکی چین‌دار ساخنه شده‌اند که با زاویه کمی کم‌تر از 90 درجه با سطح افق نصب شده‌اند. چین‌های روی صفحات باعث به وجود آمدن سطح زیاد می‌گردند.

آکنه‌ها باید طوری انتخاب شوند تا هم سطح تماس آب وهوا برای نسبت‌های بالای انتقال حرارت و انتفال جرم مناسب باشند و هم مقاومت کم‌تری در مقابل جریان هوا داشته باشند. آکنه‌ها باید محکم، سبک و در برابر خوردگی و خراب شدن مقاوم باشند.


 

گزینش برج خنک کننده:

در گزینش صحیح دستگاه خنک کننده آب متناسب با مقتضیات یک پروژه معین باید چند عامل اصلی را لحاظ کرد.
توان خنک کنندگی، مسائل اقتصادی، سرویس‌های مورد نیاز و شرایط طبیعی و ...
این عوامل اغلب به هم وابستگی متقابل دارند اما هر یک بایستی جداگانه مورد بررسی قرار گیرند از آن جا که ممکن است انواع زیادی از دستگاه‌ها توانایی تامین مقصود را داشته باشند عواملی همچون ابعاد دستگاه، مساحت محل نصب، حجم هوای جریانی، میزان مصرف انرژی فن و پمپ، موارد بکار رفته در ساخت دستگاه، سهولت یافتن دستگاه در بازار بر انتخاب نهایی تاثیر گذار خواهد بود.

برج‌های خنک کننده در اندازه‌های مختلف برای دفع حرارت از یک تا چند تن تبرید ساخته می شوند، برج‌های بزرگ برای کاربردهای معین ساخته می‌شوند و معمولا از چندین سلول تشکیل می‌شوند که هر یک اجزای خاص خود را دارند.

محل نصب:

اگر بتوان برج خنک کننده را درفضای باز با جریان هوای آزاد قرار داد در حصول یک بازده مناسب از برج مشکلی وجود نخواهد داشت اما چنانچه قرار باشد برج در داخل ساختمان و محصور بین دیوارها نصب شود موارد زیر بایستی مورد توجه قرار گیرد:

1ـ باید فضای کافی و بدون مانع مزاحم در اطراف برج وجود داشته باشد تا هوای لازم به برج برسد.
2- هوای گرم خروجی از برج باید به گونه‌ای تخلیه شود که امکان بازگشت و گردش مجدد آن به برج وجود نداشته باشد زیرا گردش مجدد چنین هوایی در برج دمای مرطوب هوای ورودی به برج را افزایش می‌دهد و باعث گرم ماندن آب در خروج از برج می‌شود.
3- گردش مجدد هوا به داخل برج هنگامی مورد توجه قرار می‌گیرد که چند برج در مجاورت هم باشند.

تعیین محل نصب برج به عوامل دیگری هم بستگی دارد از قبیل استحکام محل نصب، تجهیزات اضافی برای تقویت آن، هزینه فراهم کردن تجهیزات اضافی برای برج و مسائل مربوط به معماری ساختمان و ...

لوله کشی:

سیستم لوله کشی برج خنک کننده بایستی به گونه‌ای طراحی شود که امکان انبساط و انقباض بین لوله‌ها فراهم باشد و چنانچه برج بیش از یک اتصال ورودی داشته باشد باید جهت متعادل کردن جریان آب به هر یک از سلول‌های برج شیر متعادل کننده نصب شود و چنانچه لازم باشد یکی از سلول های برج جهت تعمیرات از مدار خارج شود، باید دارای شیر مسدود کننده جریان باشد.

اگر دو یا چند برج بصورت موازی نصب شده باشند باید از یک لوله مشترک بین دو تشت برج جهت متعادل کردن آب داخل برج استفاده شود.

به منظور ممانعت از سرریز آب داخل برج هنگام توقف کار تمامی مبدل‌ها بایستی پایین‌تر از سطح آب برج قرار داشته باشند.

کنترل ظرفیت:

بیش‌تر برج‌های خنک کننده در معرض تغییرات قابل توجه دمای مرطوب هوا و بار در طول فصل گرم می‌باشند بدین لحاظ ممکن است جهت ابقای شرایط تجویز شده برای کارکرد مطلوب برج بعضی از روش‌های کنترل ظرفیت به کار گرفته شود:

ساده‌ترین روش کنترل ظرفیت برج‌ها تغییر سرعت فن می‌باشد که اغلب در برج‌های چند سلولی به کار می‌رود با موتورهای دور متغییر می‌توان این کار را انجام داد.

روش دیگر در کنترل ظرفیت استفاده از دمپر تنظیم کننده در دهانه‌ی خروجی فن سانتریفوژ می‌باشد.
روش دیگر بای پاس کردن آب می‌باشد.

کار زمستانی برج خنک کننده:

اگر قرار باشد برج در دمای زیر صفر درجه کار کند باید موارد زیر بحث شود:

1ـ گردش باز آب در برج خنک کننده
2ـ گردش بسته آب در یک سرد کننده تبخیری مدار بسته
3ـ آب تشت در برج خنک کننده