چرا از برج خنک کننده استفاده می کنیم؟؟
برج خنک کننده چیست؟
برج خنک کننده مشتمل بر تجهیزاتی است با جنس بدنه گالوانیزه، چوبی، بتنی و فایبرگلاس گاه بصورت منفرد و گاه همراه با چیلر با تقسیم بندی هایی بصورت گرد، مدور و مکعبی، تر و خشک، مدار بسته و مدار باز هیبریدی، جریان مخالف و جریان متقاطع، جریان طبیعی و جریان مکانیکی که بمنظور ایجاد برودت و انتقال گرما از سیال فرآیندی به اتمسفر در پالایشگاه، نیروگاه، مجتمع‌های مسکونی، تجاری، اداری، ورزشی، کارخانجات تزریق پلاستیک و … مورد استفاده قرار می گیرد.
به طور خلاصه هدف از استفاده این سیستم، خنک کردن آب می باشد.
خنک سازی آب با اهداف مختلف در کاربردهای صنعتی، تهویه مطبوع و… توسط برجهای خنک کن انجام میشود. عملکرد آن نیز در واقع مشابه عملکرد کولر آبی می باشد. کولر آب با پاشش آب سبب افزایش رطوبت هوا و کاهش دمای خشک هوا در تابستان می گردد. این سیستم نیز با پاشش آب و تماس با هوا موجب تبخیر بخش کوچکی از آب، در نتیجه سبب کاهش دمای آب می گردد.
ظرفیت برج خنک کننده اصطلاحا با تن تبرید یا کیلو وات نمایش داده می شود. این عدد بیانگر میزان گرمایی است که این دستگاه در واحد زمان از آب دریافت می کند. ظرفیت های برج خنک کن تولیدی شرکت ناب زیست در انواع مختلف از 5 تن برودتی یا تن تبرید آغاز و تا 5000 تن تبرید (به صورت چندسلولی و صنعتی) ادامه دارد.
یکی از مهم ترین تجهیزات که برای سیستم خنک کاری مورد استفاده قرار می گیرد، پکینگ برج خنک کننده می باشد.
نحوه کار برج خنک کننده
نحوه کار برج خنک کننده بر اساس شرایط سایکرومتریک محیط در شرایط فصلی مختلف (زمستان یا تابستان) متفاوت است.
آب، این سیال ارزان قیمت بعنوان سیال فرآیندی ابتدا وارد لوله کشی قسمت بالایی برج خنک کننده گردیده و از طریق نازلها با قدرت به سمت پایین پاشیده می شود.
در بخش نازل در برج خنک کننده سرعت آب افزایش می یابد و بخشی از فشار جریان صرف گذر از نازل می گردد. آب که هم اکنون از سرعت بالا و فشار نسبی کمتری برخوردار است بر روی سطوحی به نام پکینگ مدیا پاشش می نماید.
در این مرحله همزمان با گذر آب از سطح پکینگ مدیا در تماس با هوا قرار گرفته و بخشی از فلو (دبی – جریان) اصلی آب تبخیر و وارد هوا می گردد.
به این ترتیب آب ورودی به برج، بواسطه عبور از پکینگ برج خنک کننده و تبخیر سطحی (فرآیندی گرماده) دمای خود را از دست می دهد و با دمایی نزدیک به دمای مرطوب محیط وارد بیسین برج خنک کن می گردد. آب از طریق لوله کشی بمنظور خنک کاری سیستم هایی که بواسطه کار زیاد گرم شده اند حرکت می نماید و آب بعنوان سیال فرآیندی با قرار گرفتن در مجاورت این دستگاه ها گرمای زائد تجهیزات رو گرفته و مجددا به سمت کولینگ تاور حرکت می نماید.
سپس یک بار دیگر همانند آنچه در بالا اتفاق افتاد، نحوه کار برج خنک کننده تکرار می شود تا کارفرما یا به سطح خاصی از دما برسد و یا در سیستم های تهویه مطبوع، هوای مورد نظر به دمای 29 درجه سانتی گراد رسیده و وارد چیلرها و فن کویل ها گردد.
تاریخچه استفاده از برج خنک کن
سیستم های خنک سازی در گذر زمان در انواع مختلفی طراحی و تولید گردیده و سیستم نهایی این دستگاه دستخوش تغییرات بسیاری بوده است. نسل ابتدایی این دستگاه به صورت رسمی بعد از انقلاب کبیر فرانسه به صورت برج خنک کن اتمسفریک و یا برج دست ساز معرفی شد. این سیستمها با پاشش جریان طبیعی آب بر روی چوب عموما آب را خنک می کردند.
بعد از یک سری تغییرات کلی این سیستمها به حالت بتنی تغییر پیدا کردند و سازه‌های بزرگ هذلولی با یک سیستم هوادهی دمنده تحت عنوان برج خنک کننده بتنی مورد استفاده قرار گرفت. به دلیل هزینه‌های عمرانی بالای این مدل از نسل بعدی تحت عنوان برجهای گالوانیزه معرفی گردید.
- بدنه این دستگاه از ورق گالوانیزه گرم تشکیل می شد.
- سیستم هوادهی این مدل به صورت سانتریفوژ بود.
- مصرف انرژی و میزان صدای تولیدی بالایی نیز داشتند.
به دلایل رسوب و خوردگی و تعمیر و نگهداری سخت مدل گالوانیزه این مدل نیز همانند رقبای خود منسوخ گردید. به طوری که هم اکنون تولیدکننده‌های بسیار کمی این مدل را تولید می کنند. آخرین نسل از این تجهیز، برج خنک کن فایبرگلاس با سیستم فن محوری بسیار کم مصرف و کم صدا می باشد که هم اکنون در حال تولید در شرکت دلتا کولینگ می باشد. این مدل از برج خنک کننده اگر با استانداردهای جهانی تولید و طراحی گردد دیگر هیچ یک از محدودیت های انواع برجهای قبلی را نخواهد داشت.
قطعات برج خنک کننده
هر برج خنک کننده دارای قطعات و تجهیزاتی هستند که در عملکرد درست و راندمان بالای آنها تاثیرگذار می باشند. یک برج خنک کن به کمک قطعات و اجزای داخلی خود می تواند به خوبی کار کند و عملیات خنک سازی را انجام دهد و این تجهیزات در هر نوع و مدلی از برج متفاوت می باشند. این قطعات براساس نوع برج، عملکرد آن، ظرفیت آن، محل نصب آن و بودجه مشتری انتخاب می شوند و روی برج نصب می گردند. مهم ترین پارامتر در تعیین قیمت برج خنک کن همین قطعات داخلی و نوع و جنس آنها می باشد.
کولینگ تاورها تجهیزات و قطعات مختلفی دارند که هر کدام از آنها نیز دارای جنس و مدل های متنوعی می باشند و براساس طراحی و عملکرد برج انتخاب می شوند و مورد استفاده قرار می گیرند. در ادامه به اصلی ترین و مهم ترین تجهیزات کولینگ تاور اشاره می کنیم و کاربرد و وظیفه هر یک را شرح می دهیم.
- بدنه : بدنه در واقع استراکچر نگهدارنده کلیه تجهیزات داخلی و خارجی می باشد. بدنه برج خنک کننده خود شامل بخشهای مختلفی می باشد. از جمله اجزا میتوان تشتک، پنل، لوور یا کرکره ورودی هوا، فن استک و ستونی را نام برد.
بدنه برج خنک کننده باعث حرکت جریان هوا و تماس هوا با آب می شود و نگهدارنده پوشش کلی برج می باشد. کولینگ تاورهای بزرگ معمولا از جنس بتنی هستند. پلاستیک، آهن گالوانیزه، استیل، فلز و فایبرگلاس نیز از دیگر موادی هستند که در ساخت انواع برجهای خنک کن از آنها استفاده می شود و انتخاب هر یک از این مواد به نوع استفاده از برج و نیاز کاربر بستگی دارد. بیشتر برج ها از چوب های شیمیایی شده و ترکیب شده با بتن و سیمان تقویت شده یا از فیبرهای تقویت شده با پلاستیک ساخته می شوند.
بدنه یا اسکلت کولینگ تاور می تواند از فلز نیز ساخته شده باشد.امروزه فایبرگلاس طرفداران زیادی پیدا کرده است و به شدت مورد استفاده قرار می گیرد زیرا هم استحکام و دوام بالایی دارد، هم در برابر مواد شیمیایی و تابش مستقیم نور خورشید مقاوم است و هم هر 4 تا 5 سال به تعویض نیاز دارد. برجهای دارای بدنه فایبرگلاس در ابعاد و اندازه‌های مختلفی وجود دارند و به طور وسیعی در سراسر دنیا تولید و به بازار عرضه می شوند. برج خنک کن فایبرگلاس به طور معمول دارای ضخامت بین 5 الی 10 میلی متر می باشد و تعداد لایه‌های متفاوتی از الیاف و رزین دارد. - اسکلت یا استراکچر داخلی و زیرین : این بخش در واقع جهت تقویت استحکام مقاومت نهایی برج خنک کن طراحی و به کار برده می شود. درقسمت زیرین برج نیز از یک سری ناودانی جهت تقسیم و توزیع بار بر روی فونداسیون مورد استفاده قرار می گیرد.
- گیربکس : به علت سرعت بالای دوران شفت استفاده میشود که باعث کاهش سرعت بالای دور الکترو موتور می شود.
گیربکس برج خنک کننده دارای چرخ دنده‌های بزرگ و کوچک می باشد و وظیفه کاهش دور تسمه ای برج را بر عهده دارد. این قطعه دور الکترو موتور را کاهش می دهد و انرژی را به فن منتقل می کند زیرا اگر دور الکترو موتور کاهش پیدا نکند، نمی توان انرژی را به خوبی و درستی به پروانه انتقال داد.
انواع کاربری برج خنک کننده در صنعت و تهویه مطبوع
· کاربری اول: به منظور دفع گرمای دستگاه‌های صنعتی مختلف در تمامی فصول
اکثر ماشین‌آلات صنعتی همانند کوره‌های ذوب القایی و قوس، بویلرها و توربین‌ها و غیره در چرخه کاری خود مقداری زیادی حرارت تولید می‌کنند. برج خنک کننده با تکمیل این چرخه صنعتی، پروسه جذب این انرژی حرارتی و دفع آن به محیط مطلوب را انجام میدهد. توربین‌های گازی در پالایشگاه، کمپرسورهای هوا در نیروگاه و دیگ‌های بخار در صنایع متنوع از مهمترین صنایع کاربردی این محصول بشمار می‌آیند.
در این مدل کاربری وظیفه استخراج انرژی گرمایشی بعهده هوای بدون رطوبت محیط است. هوای خروجی از قسمت گلویی با افزوده شدن نسبت رطوبت سبب میشود تا هوای خروجی از برج به حالت اشباع درآید. جالب است بدانید این بخارات موجود در هوا عمدتاً باعث تشکیل ابر و مه در قسمت بالایی کولینگ تاور خواهد شد.
· کاربری دوم: جهت سرد نمودن چیلرهای تهویه مطبوع ساختمانها در تابستان
اکثریت ساختمانهای مسکونی و آپارتمانهای بزرگ و کوچک، ادارات، بانکها و مراکز خرید دارای سیستم تهویه مرکزی می‌باشند. در سیستمهای سرمایش مرکزی معمولاً از چیلرهای تراکمی یا جذبی در خنک نمودن هوای محیط داخل استفاده می‌نمایند. گرمای جذب شده از یک منطقه ساختمان توسط چیلر سبب افزایش دمای مبرد (گاز کمپرسور) خواهد شد.
آب سرد تولید شده از برج در بخش کندانسور چیلر افزایش دمای مبرد را جبران میکند. لازم بذکر است بدانید که فقط چیلرهایی با کندانسور آبی از برج خنک کن در مدار کندانسور خود استفاده می‌نمایند. بهتر است این نکته را متذکر شویم که بیشتر چیلرهای تراکمی و جذبی دارای کندانسور آبی هستند.
اجزای اصلی برج خنک کننده
- الکتروموتور (motor): فراهم کننده گشتاور لازم جهت چرخش فن یا مولد انرژی مکانیکی
- فن یا پروانه (fan): بوجود آورنده فشار نسبی در هوا و جابجا کردن حجم مشخصی از آن در طی زمان معین
- انتقال قدرت تسمه ای (speed reducer): کاهش دهنده سرعت زاویه‌ای موتور یا دور موتور به دور گردشی استاندارد فن
- انتقال قدرت گیربکسی: جایگزین سیستم تسمه پولی در سیستم کاهندگی دور از دینام به پروانه محوری یا حلزونی
- سطوح خنک‌کن (fill): برقراری ارتباط بین سیالات مختلف و ایجاد سطح مفید انتقال حرارت بین آب و هوا
- کویل (coil): فراهم کننده سطح موثر از جهت انتقال گرمایشی از آب به هوا
- نازل (nozzle): تقسیم کننده و توزیع دهنده جریان آب گرم
- آب پخش کن ( head sprinkler): توزیع کننده سیال داغ در نوع مدور یا چرخشی سیستم پاشش آب
- لوله و انشعابات داخلی (pipe and fittings): منتقل کننده جریان آب در بخشهای داخلی
- بست کمربندی (belt fastener): متصل کننده انشعابات داخلی به نازلها یا افشانکها
- قطره‌گیر (drift eliminator): بازدارنده پرتاب قطرات آب به سمت فن مکنده القایی
- تشتک (basin): محل جمع آوری آب سرد یا مخزن تجمیع آب با دمای پایین
- کرکره‌ها (louvre): دریچه داخل شدن هوای خشک و سرد محیط
- تنوره خروج هوا (fan deck): دهانه خروجی هوای اشباع داغ
- پنل (panel): دیواره های اصلی استراکچر یا بدنه
- ساپورت‌های حائل یا نگهدارنده (supports): قوطی‌های نگهدارنده پکینگها ، و سایر تجهیزات درونی
- محافظ پروانه (fan Guard): محافظ فن در مقابل ضربات احتمالی یا ورود اشیاء خارجی
- شاسی موتور(motor Chassis): فریم نگهدارنده دینام یا الکتروموتور
- فلنچ ورودی(inlet Flange): اتصال ورودی آب برگشتی
- فلنچ خروجی(outlet Flange): محل خروجی آب رفت
- فلوتر (floater): شناور تنظیم کننده ورود جریان آب جبرانی
- شیر تخلیه(drain valve): محل خروجی جریان بلودان یا تخلیه زیرآب
- فلنچ سرریز (overflow): مقطع خروج یا تخلیه جریان مازاد آب
اجزای جانبی برج خنک کننده
- کنترل دور متغیر: این بخش در قسمت تابلو کنترل وظیفه تنظیم دستی یا اتوماتیک دور موتور توسط تغییر فرکانس را عهده‌پذیر است.
- آنتی فریز ضدیخ: دارای دو بخش هیتر و ترموستات می‌باشد که با قرارگرفتن در تشتک در زمستان از یخ زدن آب ممانعت به عمل می آورد.
- دک کاهش صدای فن: این قطعه در زیر قسمت کاهش دور بین فن و فولی نصب شده و لرزشهای موجود پروانه را کاهش میدهد.
- لرزه گیر مکانیکی: سبب دمپ لرزشها و کاهش سطح ارتعاشات گشته که نمونه کاربری آن را می توان در هواسازها و چیلرها مشاهد کرد.
- تخلیه اتوماتیک: بلودان هوشمند مجهز به یک TDS متر و شیر برقی بوده که عامل کاهش میزان املاح سنگین در تشتک است.
- فیلتراسیون هوا: توری‌های هوای فلزی(آلومینیوم) در پشت کرکره‌ها نصب میشود و از ورود ذرات معلق به داخل جلوگیری می‌نماید.
- سایت گلس یا پنل بازدید: پنل شیشه‌ای یا تلقی که موجب سهولت بازدید اپراتور از شرایط کارکرد دستگاه در شرایط مختلف عمل می آورد.
- پمپ شاور: این بخش فقط در کولینگ تاور هیبریدی به کار می‌رود و دائماً آب مدار باز را بر روی کویل پاشش میکند.
- توری آشغالگیر: این تجهیز در جلوی فلنچ خروجی آب سرد نصب شده و باعث ممانعت از عبور آشغال‌های موجود در basin می‌گردد.
- فیلتر میکرونی: فیلتر کیسه‌ای سبب افزایش کیفیت آب جبرانی و کاهش میزان رسوب گرفتگی قطعات داخلی خواهد شد.
دمای خروجی آب در برج خنک کننده به چه میزان است؟
آب سرد خارج شده از یک کولینگ تاور همواره دمایی بالاتر از دمای هوای شرجی در آن محیط را داراست. دمای هوای شرجی یا اصطلاحاً “دمای حباب تر” یک فاکتور تعیین کننده در پارامتر دمای آب سرد محسوب می شود. برای شهرهای مختلف دمای حباب تر یا وت بالب (wet bulb temperature) از 15 الی 35 درجه متفاوت است. برای محیطهای شرجی با رطوبت بالای 70 درصد میزان دمای وت بالب بالاتر بوده و کولینگ تاور محدودیت زیادی در خنک کردن آب در تابستان خواهد داشت.
البته میزان دمای حباب تر اعلام شده صرفاً در فصل تابستان و در بدترین شرایط اقلیمی مورد بررسی قرار خواهد گرفت. نکته دیگری که باید عرض کنیم این است که یک برج خنک کننده قادر نخواهد بود که آب را دقیقاً تا دمای مرطوب محیط کاهش دهد. آب سرد خنک شده در این تجهیز همواره 3 الی 5 درجه بالاتر از دمای محیط بوده و افت دمای ایجاد شده در انواع کولینگ تاور با قانون بیان شده سنجیده می شود.
میزان ظرفیت برجهای خنک کننده چگونه محاسبه می شوند؟
توان حرارتی در جذب گرمای ماشین آلات صنعتی در بخش کندانسور توسط کولینگ تاور را ظرفیت برودتی نامگذاری می کنند. ظرفیت یک قالباً بر اساس تن تبرید (refrigeration ton) یا در اصطلاح RT بیان می کنند. مقدار ظرفیت برج خنک کننده گاهاً با واحدهایی همچون BTU/H و KW نیز عنوان می گردد. فارغ از واحد محاسباتی در بیان ظرفیت برودتی و مهمتر از آن نحوه محاسبه ظرفیت برج خنک کننده است که از اهمیت بالایی برخوردار است. برای محاسبه ظرفیت برودتی برج خنک کن از پارامترهایی همچون دبی آب در گردش، دمای ورودی و خروجی و حتی دمای وت بالب بهره جسته می شود.
به منظور محاسبه ظرفیت باید میزان گرمایی را که از آب باید توسط زمان معین به هوای بیرون انتقال پیدا کند را تشخیص دهیم. بهره جویی از یک شرکت مشاوره مهندسی در تعیین دقیق میزان ظرفیت کولینگ تاور بهترین گزینه پیشنهادی در دسترس می باشد.
بسیاری از شرکتهای سازنده برج خنک کننده امروزه با بکارگیری کادر مهندسی در تشخیص مقدار این پارامتر مهم در اختیار کارفرمایان عزیز قرار گرفته اند. ظرفیت برجهای خنک کننده تولیدی در دسترس امروزه از بازه 20 تن تبرید تا 15 هزار تن تبرید متفاوت خواهد بود که وابسته میزان حجم آب گردشی و اختلاف دمای آب طراحی خواهد شد.
آشنایی با انواع برج خنک کننده به لحاظ نوع عملکرد
1–برج خنک کننده مدار باز: یکی از مرسوم ترین انواع پر کاربرد کولینگ تاور نوع مدارباز یا مرطوب( برج تر) قلمداد شده که در دو شکل مکعبی و مخروطی تعبیه می شود. این مدل با عملکردی یکنواخت در فصول مختلف تابستان و زمستان توسط ارتباط مستقیم آب داغ با هوای خشک سبب خنکتر شدن آب می گردد. آب توسط نازلهای اسپری کننده بر روی پوشالهای خنک کننده(پکینگها) پاشش شده و هوا نیز با گذر از میان پکینگها گرمای آب را جذب و به بیرون انتقال می دهد.
2–برج خنک کننده مداربسته: نوع دیگری از انواع برجهای خنک کننده نوع مداربسته (close cooling tower) به شمار می آید که وابسته به نوع کارایی به دو دسته خشک و هیبریدی تقسیم بندی می شود. برجهای خشک با تماس کاملاً غیر مستقیم هوا با جریان آب داغ در کویلهای فیندار موجب کاهش دمای این سیال می شوند. برجهای خنک کننده هیبریدی نیز با عملکردی مشابه و البته با پاشش یک سیکل ثانویه آب به خنک کاری این سیال گرم می پردازند و عملاً با عملکردی دوگانه وظیفه خود را انجام می دهند.
در چه جایی از برج خنک کننده مداربسته یا مدارباز استفاده می شود؟
مسلماً پاسخ به سوال فوق کمک بسزایی به انتخاب صحیح یک کولینگ تاور در یک واحد صنعتی خواهد کرد. طبیعتاً برج خنک کننده به منظور کارکرد خود همواره درصدی از آب (3 تا 5 درصد) تبخیر می نماید. در بسیاری از مناطق کشور تامین این میزان آب مخصوصاً در ظرفیتهای بالای 100 تن تبرید دشوار و نشدنی است. بسیاری از کارخانجات صنعتی به منظور رفع این معذل از سیکل بسته در خنک کاری آب مورد نیاز دستگاه های خود استفاده می کنند. پس اولین جایی که از برج خنک کننده مداربسته باید استفاده کرد زمانی است که تامین آب جبرانی(make up) برای مصرف کولینگ تاور فراهم نباشد.
یکی دیگر از شرایطی که در کارایی برج خنک کننده حتماً با آن مواجه خواهید شد بحث رسوب گرفتگی این تجهیز در نوع مدار باز است. آب در گردش در یک منبع برودتی همچون بدلیل تبخیر دائمی همواره با افزایش میزان املاح مواجه خواهد بود. افزایش میزان TDS آب سبب ایجاد گرفتگی در کندانسورها، مسیر لوله ها و حتی خود برج خواهد شد.
بحث رسوب زدایی از کندانسور تجهیزات صنعتی و همچنین تعمیرات ناشی از آن که گاهاً موجب از کار افتادگی کل سیستم خواهد شد امری بس مهم است. بسیاری از واحدهای صنعتی به منظور جلوگیری از موضوع رسوب گرفتگی به اجبار با صرف هزینه بیشتر در خرید به سمت و سوی برج خنک کننده مداربسته هدایت می شوند. خب در پایان اگر واقعاً میزان تامین آب جبرانی یا رسوب گرفتگی برایمان اهمیت نداشته باشد بدون شک توصیه می شود که از نوع مدارباز استفاده کنیم.