برج خنک کننده چیست و چه انواعی دارد؟
برج خنک کننده چیست؟
برج خنک کننده (cooling tower) نوع خاصی از تجهیزات دفع حرارت است که در آن گرمای آب به کمک هوا به اتمسفر منتقل می‌گردد. در برج‌های خنککننده مرطوب، این انتقال حرارت عمدتاً از طریق تماس مستقیم آب و هوا و تبخیر بخشی از آب انجام می‌شود. آب خنک کننده‌ی مورد نیاز صنایع بعد از انجام ماموریت به برج خنککننده باز می‌گردد تا مجدداً خنک شود.
اساس کار این سیستم بر مبنای انتقال هم‌زمان حرارت و جرم و استفاده از فرآیند تبخیر است. بخشی از آب در تماس با هوا تبخیر می‌شود و گرمای لازم برای تبخیر از آب گرفته می‌شود؛ در نتیجه دمای آب باقی‌مانده کاهش می‌یابد. از برج خنککننده در صنایعی مانند نیروگاه‌ها، پتروشیمی‌ها، پالایشگاه‌ها و… استفاده می‌شود. با توجه به شرایط آب و هوایی و نیاز حرارتی محل تاسیسات صنعتی، انواع مختلفی از این تجهیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.
بخشی از برج خنککننده با قطعاتی به نام «پرکن» (filler) مانند پوشال در کولر آبی پر می‌شود. آبی که قرار است خنک شود، روی این پرکن‌ها توزیع می‌گردد. پرکن‌ها باعث افزایش سطح تماس و زمان تماس مؤثر بین هوا و آب می‌شوند و در نتیجه انتقال حرارت و جرم بهبود پیدا می‌کند.
دسته‌بندی برج خنک کننده بر اساس جهت حرکت هوا و آب
برج خنک کننده جریان متقاطع
هوا و آب در این نوع برج به صورت عمود یا «متقاطع» (cross flow) نسبت به یکدیگر حرکت می‌کنند. آب از بالا روی پرکن‌ها توزیع شده و تحت اثر گرانش به سمت پایین جریان می‌یابد، در حالی که هوا به صورت افقی از میان پرکن عبور می‌کند. حین این تماس، بخشی از آب تبخیر شده و گرما از آب به هوا منتقل می‌شود. در برج‌های جریان متقاطع با مکش مکانیکی، فن هوا را از میان برج عبور داده و به بیرون هدایت می‌کند.
مزایا
- هزینه‌ی پایین‌تر بهره‌برداری به دلیل هد پمپ کمتر در برخی طراحی‌ها
- نگهداری ساده
- توزیع مناسب آب و دسترسی آسان‌تر به بخش‌های داخلی
معایب
- احتمال بیشتر بازچرخش هوای گرم و مرطوب در شرایط نامناسب نصب
- احتمال تجمع گردوغبار و آلودگی در قسمت پرکننده
کاربرد
- صنایع فرایندی و پتروشیمی
- صنایع آلومینیوم و سیستم‌های فشرده‌سازی هوا
برج خنک کننده جریان ناهم‌جهت
در این نوع تجهیز، جریان هوا در خلاف جهت جریان آب حرکت می‌کند. هوا از پایین برج وارد قسمت پرشده شده و از بالا خارج می‌شود. آب از بالا روی پرکننده‌ها توزیع می‌شود و در تماس مخالف با جریان هوا قرار می‌گیرد. این آرایش می‌تواند نیروی محرک مناسبی برای انتقال هم‌زمان حرارت و جرم در طول برج ایجاد کند. هوا گرما و بخشی از رطوبت آب را دریافت کرده و توسط فن از قسمت بالایی به بیرون هدایت می‌شود.
مزایا
- تماس مؤثر آب و هوا به دلیل آرایش جریان مخالف
- عملکرد حرارتی بالا و مناسب برای بسیاری از کاربردهای صنعتی
معایب
- تولید صدا به دلیل عملکرد فن، اسپری و ریزش آب
- تعمیرات و نظافت نسبتاً دشوارتر
کاربرد
- پالایشگاه‌های نفتی و گازی و پتروشیمی
دسته‌بندی بر اساس نوع مکش هوا
برج خنک کننده با مکش طبیعی
برج‌های خنککننده با «مکش طبیعی» (Natural draft) گرمای اضافی سیستم را به اتمسفر منتقل می‌کنند. در این فرایند آب گرم وارد قسمت بالایی برج شده و توسط سیستم توزیع و نازل‌ها درون برج پخش می‌شود. هم‌زمان هوا در جهت مخالف از پایین برج وارد می‌شود. آب در تماس با هوا قرار گرفته و بخشی از آن تبخیر می‌شود. 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.
هوای داخل برج با دریافت گرما و رطوبت، چگالی کمتری نسبت به هوای محیط پیدا می‌کند. این اختلاف چگالی باعث ایجاد نیروی شناوری و حرکت طبیعی هوا به سمت بالای برج می‌شود. به همین دلیل، بدون استفاده از فن‌های اصلی، جریان هوا از پایین به بالا برقرار شده و هوای گرم و مرطوب از بالای برج خارج می‌گردد.
مزایا
- هزینه‌ی پایین نگهداری و بهره‌برداری
- نیاز کم به تجهیزات مکانیکی برای جابه‌جایی هوا
- مصرف پایین توان الکتریکی برای جریان هوا
معایب
- عملکرد وابسته به 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 معمولاً در پایین برج تعبیه شده است، به داخل و از میان برج رانده می‌شود. آب گرم نیز از بالای برج وارد می‌گردد. در آرایش جریان مخالف، تماس آب و هوا باعث تبخیر بخشی از آب و انتقال گرما به هوا می‌شود. قرار گرفتن فن در پایین برج باعث می‌شود تجهیزات مکانیکی دسترسی مناسبی داشته باشند، اما احتمال بازچرخش هوای گرم و مرطوب خروجی نیز می‌تواند بیشتر باشد.
مزایا
- بهره‌برداری و تعمیر آسان‌تر به دلیل دسترسی به فن، موتور و قطعات در پایین برج
- مناسب برای سیستم‌هایی که با مقاومت یا افت فشار استاتیکی بالاتر مواجه هستند
معایب
- امکان مصرف توان بالاتر فن در برخی کاربردها
- احتمال بازچرخش هوای گرم شده و ورود مجدد آن به برج
کاربرد
- صنایع شیمیایی و انرژی
«مکش اجباری» (induced draft)
اساس کار این نوع برج با نوع قبلی کاملا شبیه است. آب از بالا و هوا از پایین وارد آن می‌گردد. سیستم توزیع آب و نازل‌ها، آب را روی پرکن‌ها پخش می‌کنند. تفاوت اینجا است که فن مکش هوا در بالای برج نصب می‌گردد. این فن هوا را از ورودی‌های پایین برج به بالا می‌کشد و به بیرون هدایت می‌کند. قرار گرفتن فن در مسیر خروجی باعث می‌شود هوا از سراسر برج عبور کند و معمولاً احتمال بازچرخش هوای گرم و مرطوب کاهش یابد.
مزایا
- کاهش احتمال برگشت هوای گرم شده به ورودی برج
- نیاز به فضای نسبتاً کم برای نصب
معایب
- نیاز به نگهداری و تعمیرات فن، موتور و قطعات مکانیکی
- قرار گرفتن تجهیزات مکانیکی در معرض هوای مرطوب و احتمال خوردگی
کاربرد
- عملکرد مناسب برای واحدهای خنککننده و صنایع شیمیایی و غذایی
cooling tower
دسته‌بندی بر اساس روش انتقال حرارت
برج خنککننده خشک
در این تجهیز، آب به عنوان واسطه‌ی خنک کردن مورد استفاده قرار نمی‌گیرد و برای دفع حرارت اصلی سیستم نیازی به تبخیر آب وجود ندارد. انتقال حرارت از طریق یک سطح مانند لوله‌ها یا مبدل حرارتی که سیال فرایندی را از هوا جدا می‌کند، صورت می‌گیرد. در این روش، گرمای سیال فرایندی از طریق دیواره لوله یا سطح مبدل به هوای محیط منتقل می‌شود.
مزایا
- عدم مصرف آب برای تبخیر در فرایند اصلی خنک‌کاری
- کاهش مشکلات مرتبط با کیفیت و تصفیه آب برج‌های مرطوب
معایب
- وابستگی بیشتر عملکرد به دمای هوای محیط
- نیاز به سطح مبدل و تجهیزات بزرگ‌تر در برخی شرایط
کاربرد
- واحدهای تولید برق
- برخی واحدهای فرایندی و صنعتی
برج خنک کننده خیس یا مدار باز
این تجهیز با نام «برج خنک‌کننده‌ی مدار باز» (Open circuit cooling tower) نیز شناخته می‌شود. اساس کار این برج همانطور که اشاره شد، تبخیر بخشی از آب است. آبی که قرار است خنک شود از واحد به برج پمپ می‌شود. آب روی پرکن‌ها توزیع شده و در تماس مستقیم با جریان هوا قرار می‌گیرد. بخشی از آب تبخیر می‌شود و گرمای لازم برای این تبخیر از آب گرفته می‌شود؛ در نتیجه دمای آب باقی‌مانده کاهش می‌یابد. قسمت پرشده نقش زیادی در افزایش سطح تماس آب و هوا دارد.
مزایا
- بازده بالای انتقال حرارت به دلیل استفاده از تبخیر
معایب
- مصرف آب و هزینه‌های مرتبط با تصفیه و کنترل کیفیت آب
کاربرد
- پتروشیمی، پالایشگاه و نیروگاه
برج خنک کننده مدار بسته
اساس کار این تجهیز مشابه نوع مدار باز است با این تفاوت که سیال فرایندی با هوای خنککننده تماس پیدا نمی‌کند. در «برج خنککننده مدار بسته» (Closed circuit cooling tower)، سیال فرایندی درون یک کویل جریان دارد و آب مدار پاششی روی سطح خارجی کویل توزیع می‌شود. این کویل سیال فرایندی را از هوای بیرون جدا می‌کند تا آلودگی وارد مدار اصلی نشود. آب مدار خارجی با هوا در تماس قرار می‌گیرد و بخشی از آن تبخیر می‌شود. گرما ابتدا از سیال فرایندی به دیواره کویل و آب پاششی منتقل و سپس از طریق تبخیر آب به هوا دفع می‌شود.
مزایا
- جلوگیری از تماس مستقیم سیال فرایندی با هوا و آلودگی‌های محیط
- مناسب برای سیالاتی که حفظ کیفیت و پاکیزگی آن‌ها اهمیت دارد
معایب
- هزینه‌ی اولیه بالاتر
- سنگین‌تر و پیچیده‌تر بودن نسبت به برخی برج‌های مدار باز
کاربرد
- در صنایع برودتی، تهویه‌ی مطبوع و گرمایش
سخن آخر
برج خنککننده یکی از تجهیزات مهم برای دفع حرارت در سیستم‌های صنعتی، نیروگاه‌ها، پالایشگاه‌ها و سامانه‌های تهویه و برودتی است. این تجهیزات را می‌توان بر اساس جهت حرکت آب و هوا، روش ایجاد جریان هوا و نحوه انتقال حرارت دسته‌بندی کرد. انتخاب بین برج‌های جریان متقاطع و ناهم‌جهت، مکش طبیعی و مکانیکی، و همچنین مدار باز، مدار بسته یا سیستم خشک، به عواملی مانند ظرفیت حرارتی، شرایط آب‌وهوایی، کیفیت آب، میزان مصرف انرژی و فضای در دسترس بستگی دارد.
در نتیجه نمی‌توان یک نوع برج خنککننده را برای تمام کاربردها مناسب دانست و انتخاب صحیح آن باید بر اساس شرایط عملیاتی و نیازهای هر سیستم انجام شود.
دیدگاهتان را بنویسید