نحوه تبادل انرژی گرمایشی در برج خنک کننده

تبادل حرارت در برج های خنک كننده به عوامل فيزيكي و شيميايي بسياري بستگي دارد كه بطور مستقيم يا غير مستقيم بر كارآيي سيستم مؤثر خواهند بود. درك هر چه بيشتر اين عوامل نيازمند شناخت مشخصات هر سيستم سردكننده است كه بطور خلاصه بصورت ذيل تعريف مي گردند :  افت درجه حرارت هرچه اختلاف دماي آب ورودي و خروجي از برج های خنک كننده زياد باشد، تبخير بهتري صورت مي گيرد و در تبادل حرارت در برج های خنک كننده نقش بسزایی دارد.  آب از دست رفته بوسيله باد Wind Loss مقدار آب از دست رفته بوسيله باد بستگي به طراحي و شرايط عمليات برج خنک كننده دارد. به طوركلي مقدار 0.05% تا 0.2% از حجم آب گردشي در سيستم هاي نوع دمنده را شامل می شود.

آب دور ريز Blow Down مقدار Blow Down به غلظت املاح آب تأميني ، غلظت بازدارنده مورد مصرف و نوع آن بستگي دارد . در سيستم برج خنک كننده همزمان با عمل تبخير ، تغليظ يون ها نيز در آب صورت مي گيرد. چنانچه غلظت املاح از حد مجاز خود كمتر باشد، سيستم تمايل به و چنانچه غلظت املاح بيش از حد متعارف باشد سيستم رسوب گذار خواهد بود. براي موازنه غلظت املاح در برج های خنک كننده به طور پيوسته مقداري از آب را از سيستم خارج مي نمايند كه به اين آب ، آب دور ريز Blow Down گفته مي شود . مقدار Blow Down به غلظت املاح آب تأميني ، غلظت بازدارنده مورد مصرف و نوع آن بستگي دارد.

مدت زماني كه يك مولكول تمام سيستم را طي كرده و دوباره به نقطه اول خود برسد را زمان يك گردش گويند. مقدار حجم كل آبي كه توسط پمپ در ساعت در سيستم بچرخش درمي آيد كه هر چه ميزان آن بيشتر باشد، مقدار تبخير بيشتر خواهد بود. تمام پارامترهاي فوق الذكر، پارامترهاي كنترل كمي آب هستند كه در محاسبات فني مهندسي جهت طراحي يا ساخت و بهره برداري از برج خنك كننده بكار مي روند. در سيستم هاي برج خنک کننده بسته ، محاسبات كمي تنها به ميزان نشتي آب ارتباط پيدا مي كند. در اين برجها مقدار آب تأميني فقط براي جبران آب نشتي مي باشد. در ادامه سایر عوامل موثر در تبادل حرارت در برج های خنک كننده فقط به اختصار بیان شده است.

10 . پارامتر PH

13 . نمك های محلول

14 . گازهای محلول در آب (گاز اكسيژن ، گاز دی اکسید کربن ، گاز كلر ، گاز آمونياك)

15 . مواد معدنی

16 . ارگانيزم های موجود در آب

17 . هدايت الكتريكی آب

20 . دما

21 . نوع اسيد مصرفی

23 . كدورت آب

24 . غلظت و مواد بازدارنده (كرومات ها ، نيتريت ها ، نمك های فلزات دو ظرفيتی ، فسفات ها ، آمين ها و آزول ها و ديگر مواد محافظت كننده) موليبدات ها و تنگستات ها و بعضي از نمك هاي اسيدهاي آلي مخصوصا در سيستم هاي بسته گردشي داراي قدرت محافظت كنندگي خوبي هستند. همچنين سيليكات ها به عنوان يك ماده محافظت كننده مطرح هستند ولي به دليل رسوبات سختي كه دارند، کمتر مورد استفاده قرار می گیرند. پیش از پرداختن به نحوه کارکرد (cooling tower)، بایستی بدانید که این دستگاه‌ها دارای یک ساختمان بتنی، فلزی، چوبی و یا با فایبرگلاس شكل هستند .

برج خنک کننده برای سرمایش آب گرم صنعتی به صورت طبیعی یا مكانیكی طراحی و ساخته می‌شود. درواقع چنانچه آبهای داغ صنعتی خنک نشوند، قابلیت استفاده مجدد در چرخه تولید را نخواهند داشت. بنابراین باید از آبهای جایگزین طبیعت استفاده شود که آسیبها را به محیط زیست افزایش می دهد!!. ازهمین رو آشنایی با نحوه کارکرد برج خنک کننده و چگونگی خنکسازی آبهای داغ صنعتی، بسیار پراهمیت است. نحوه کار برج خنک کننده بدین صورت است که آب داغ وارد شده به سیستم کولینگ، توسط فن های دستگاه سرد می‌شوند. آب گرم از طریق لوله به بالای برج خنک کننده منتقل و از طریق آب پاشهایی که در بالای برج خنک کننده نصب گردیده، از بالا به پایین بر روی پکینگ ها (pp یا pvc) پاشیده می‌شود. با این کار سطح تماس بیشتری میتواند بین آب و هوا ایجاد شود.

انواع مکانیزم سیستم کولینگ

بسته به تناژ تبرید، اقلیم و نوع تبادل حرارت، مدلهای مختلفی از برجهای خنک کن تولید میشود. نحوه عملکرد هریک از برج های خنک کننده نیز مسلماَ میتواند متفاوت باشد. بنابراین در ادامه به بررسی اجمالی هریک از این مدلهای کولینگ تاور خواهیم پرداخت. بطوریکه سطحی از آب داغ روی پکینگ تشکیل شده و از سوی دیگر، هوایی که توسط فن ها از درون لوورهای اطراف برج خنک کننده وارد می‌شود با آب برخورد میکند. درنتیجه خنکای هوا به آب منتقل میشود و خنکسازی انجام میشود. اما چه تفاوتی در مکانیزم عملکردی هریک از انواع سیستم کولینگ وجود دارد؟!

بطورکلی در برج خنک کننده آب گرم به طور مستقیم و یا غیرمستقیم در تماس با جریان هوای طبیعی یا مكانیكی قرارگرفته و گرمای آن به هوا منتقل می‌شود و برای مصرف بعدی مورد استفاده قرار می گیرد. نحوه عملکرد برج خنک کننده مدار باز : شیوه انتقال حرارت و تبادل گرمایی در کولینگ تاور مدارباز بصورت «مستقیم و تبخیری» می‌باشد. نحوه عملکرد برج خنک کننده مدارباز بدینگونه است که در شروع فرآیند، آب داغ بوسیله‌ی لوله کشی‌های ورودی به درون دستگاه راه پیدا میکند. سپس این سیالات داغ (توسط پمپ) به سمت بالای دستگاه و به مجرای سیستم توزیع آب هدایت میشوند. در ادامه باید 2 کار به صورت همزمان انجام گردد:

از یکسو آب گرم بوسیله نازلهای سیستم توزیع آب بر روی سطح پکینگ برج خنک کننده ریخته میشود و موجب تشکیل لایه ای نازک از آب می گردد. درسوی دیگر، فنهای دستگاه به مکش هوای خنک بیرونی واردسازی آن به درون دستگاه اقدام میکنند. هوای خنک وارد شده به دستگاه، در بالای سطح پکینگ مدیا به گردش درمی‌آید. بنابراین با لایه آب به صورت مستقیم ارتباط برقرار میکند و با ایجاد فرآیند تبخیر، باعث خنک شدن آب کولینگ تاور میشود. طی فرآِیند تبخیر، بخشی از گرمای آبها گرفته میشود و تحت قالب بخار، از دستگاه خارج میشود. بنابراین سرعت عمل خنک کاری افزایش می‌یابد و راندمان عملکرد برج خنک کننده بیشتر میشود.

درادامه آب خنک شده به بخش تشتک زیرین دستگاه ریخته میشود. نهایتاَ آبهای موجود در تشتک نیز از طریق لوله‌های خروجی، مجدداَ وارد چرخه تولید و صنعت خواهد شد. قطره گیرها به عنوان قطعه ای در جهت کاهش مصرف آب شناخته میشوند. در حقیقت وجود قطره گیرها در برج خنک کننده مدارباز، موجب میشود تا با جلوگیری از خروج قطرات آب، میزان بخار و اتلاف آب کاهش یابد. همانطورکه میدانید، همواره لایه‌های بخار دارای قطرات ریز آب هستند. نصب قطره گیر موجب میشود تا به هنگام خروج حجم بخار، این قطرات آب به دام انداخته شوند و از خروجشان ممانعت گردد. درنتیجه قطرات آب کمتری به جو وارد میشود و صرفه جویی در مصرف آب اتفاق می افتد.

نحوه عملکرد برج خنک کننده مداربسته

کارکرد بطور کامل متفاوت تر از سیستم‌های مدارباز می‌باشد. بطوریکه تبادل گرما در آنها، به گونه «غیرمستقیم» است. نحوه عملکرد برج خنک کننده مداربسته بدین صورت است که: ابتدا آب داغ صنعتی وارد مجرای بسته کویلهای و لوله‌های پره دار آلومینیومی می‌شود. عوامل اقتصادی مثل نرخ تورم و نرخ تعرفه‌ها نیز می‌توانند بر قیمت پکینگ فیلمی تأثیر بگذارند . آبهای وارد شده به دستگاه، در مسیر بسته ای جریان می یابد. درنتجه کیفیت سیال حفظ میگردد و آلودگیهای جریان هوا به آن سرایت نمی کند.

فن های قدرتمند یرج خنک کن مداربسته، جریان هوای خنک بیرونی را وارد سیستم میکنند. سپس این جریان هوا به سطج خارجی لوله‌ها وزیده میشود. همین برخورد غیرمستقیم هوا با سطح خارجی لوله‌های آب، موجب تبادل گرما و خنکسازی آب میشود. راندمان سیستم مداربسته در مقایسه با مدلهای مدارباز کمتر است. درحقیقت غیرتبخیری بودن فرآیند خنکسازی در این کولینگ تاورها، موجب میشود تا راندمانشان کمتر باشد و آبها رفته رفته خنک شوند. البته کاهش مصرف آب یکی از مهمترین ویژگی های عملکرد برج خنک کننده مداربسته است. بنابراین نیاز خاصی به تزریق مداوم آب جبرانی نخواهند داشت.

نحوه کارکرد برج خنک کننده آدیاباتیک

آدیاباتیک با استفاده از سیستم هوادهی «هواخنک» کار می کند. چراکه این دستگاه‌ها در مناطق گرم و خشک کشور مورد استفاده قرار میگیرند و همواره در معرض واردسازی هوای گرم قرار دارند. بنابراین پس از ورود هوای گرم به دستگاه، ابتدا جریان هوا خنکسازی میگردد. سپس هوای خنک شده توسط فن‌ها، به سطح لوله‌ها و کویل ها دمش پیدا میکند. بیاد داشته باشید چنانچه هوای گرم به لوله‌ها برخورد کند، راندمان خنک کاری شدیدا کاهش می یابد و عملاَ آب به میزان لازم خنک نمیشود! برخی از دیگر نکات نحوه کارکرد برج خنک کننده مداربسته آدیاباتیک عبارتست از:

• سیستم‌های کولینگ آدیاباتیک دارای شبکه توزیع آب باز نیستند و بخشی از زیرمجموعه مدلهای مداربسته محسوب میشوند. بنابراین تبادل حرارت در آنها بصورت غیرمستقیم (غیرتبخیری) می‌باشد.
• باتوجه به بکارگیری سیستم هوا خنک در مدلهای آدیاباتیک، راندمان این دستگاه‌ها بسیار بالاست. در نتیجه برای فعالیت های صنعتی، گزینه ای مناسب محسوب می‌شوند.
• طراحی برج خنک کن آدیاباتیک بر مبنای کاهش دمای آب صورت میگیرد.

نحوه کارکرد برج خنک کننده خشک مورب بمنظور آشنایی با نحوه عملکرد برج خنک کننده خشک مورب، به نکات زیر توجه داشته باشید:

1. نحوه کارکرد: برج های خنک کن خشک مورب، عملکردی مشابه با سیستم‌های مداربسته دارند. یعنی فاقد اسپرینکلرهد باز هستند و آب گرم در کویلهای بسته جریان می یابد.
2. ظرفیت: این مدلها غالباَ در ظرفیت های بسیار بالای صنعتی طراحی میشوند. بنابراین برای بکارگیری در صنایع سنگین و نیمه سنگین کشور گزینه ای ایده آل می‌باشند.
3. نوع اقلیم مناسب: باتوجه به صرفه جویی قابل توجه در مصرف آب، نحوه عملکرد برج خنک کننده خشک مورب، مناسب برای صنایع بزرگ اقلیم خشک و کم آب کشور می‌باشد. (پالایشگاه‌ها، نیروگاه‌های سیکل ترکیبی و برق، ذوب آهن، فولاد و…)
4. ساختار: کویل، فن و لوله‌های موجود در کولینگ تاور خشک بصورت مورب قرار داده میشوند. ساختار حجمی این دستگاه‌ها نیز به شکل مستطیلی و همراه با دیواره‌های مورب است.

مکانیزم عملکرد برج خنک کن هیبریدی این سیستم‌ها به عنوان نسل جدیدتری از انواع کولینگ تاور صنعتی بشمار می روند. بنابراین میتوان گفت که نحوه کارکرد برج خنک کننده هیبریدی خاص تر از دیگر مدلهاست. به‌بیان دقیق‌تر، عملکرد برج خنک کننده هیبریدی را میتوان ترکیبی از «سیستم‌های مداربسته و مدارباز» دانست. یعنی:

• هم به مانند سیستم‌های کولینگ مدارباز دارای سیستم پاشش آب باز می‌باشند.
• و هم شبیه به مدلهای مداربسته، آب در کویل های مسی بسته جریان یافته و از شیوه تبادل حرارت ایندایرکت، بهره می گیرند.

همچنین دارای سیستم هوادهی «هواخنک» می‌باشند که در عین مصرف کم آب، راندمان عملکردی بالایی دارند. بطورکلی میتوان گفت که: نحوه کارکرد برج خنک کننده هیبریدی (Hybrid Cooling tower) بدین گونه است که در فصول سرد سال، آب وارد مسیر بسته کویل و لوله‌های پره دار میشود. سپس با استفاده از سیستم هواخنک و ورود هوای خنک، عملیات دمش هوای خنک به سطح لوله‌ها و خنکسازی آب انجام میشود. همچنین نحوه عملکرد سیستم هیبریدی در فصول گرم سال، بر مبنای پاشش آب داغ از طریق سیستم توزیع آب می‌باشد. پاشش داشته داشته و هوای خنک شده ارتباط پیدا میکند.