راهنمای جامع خرید برج خنککننده (cooling tower)
برج خنککننده» (cooling tower) نوع خاصی از «مبدل حرارتی» (heat exchanger) است. در این تجهیز گرمای آب با تماس مستقیم با هوا، به اتمسفر منتقل می‌گردد. آب خنک کننده‌ی مورد نیاز صنایع بعد از انجام ماموریت به برج خنککننده باز می‌گردد تا سرد شود. اساس کار این سیستم انتقال گرما بر مبنای اصول اولیه فرآیند تبخیر است. در این فرآیند حجم زیادی از آب خنک می‌شود تا برای ورود مجدد به تجهیزات مورد نیاز مورد استفاده قرار گیرد. از برج خنککننده در صنایعی مانند نیروگاه‌ها، پتروشیمی‌ها، پالایشگاه‌ها و… استفاده می‌شود. با توجه به شرایط آب و هوایی محل تاسیسات صنعتی، انواع مختلفی از این تجهیز مورد استفاده قرار می‌گیرد که در مورد تمام آن‌ها در این مطلب خواهیم نوشت.
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 اسپری می‌گردد. پرکن‌ها باعث افزایش سطح و زمان تماس بین هوا و آب می‌شوند. این تجهیزات عموما بر اساس نحوه‌ی عملکرد و کاربرد دسته‌بندی می‌گردند که اگر قصد خرید برج خنک کننده را دارید، بهتر است تا انتهای این مقاله را مطالعه نمایید.
دسته‌بندی بر اساس جهت حرکت هوا و آب
جریان متقاطع
هوا و آب در این نوع برج به صورت عمود یا «متقاطع» (cross flow) به یکدیگر وارد می‌شوند. هوا از دیواره‌های عمودی وارد می‌گردد و با آب که از بالا در حال اسپری شدن است، تماس پیدا می‌کند. نیروی گرانش آب را به صورت یکپارچه و عمود بر جهت حرکت هوا به پایین می‌کشد. هوای متلاطم بعد از گذر از مسیر ریزش آب روی پرکننده‌ها وارد یک فضای خالی می‌گردد. حین این تماس دمای آب پایین می‌آید. هوا در حقیقت توسط فن‌های نصب شده به بیرون مکیده می‌شود.
مزایا
- هزینه‌ی پایین بهره‌برداری به دلیل کم بودن هد پمپ مورد نیاز
- نگهداری ساده
- مصرف انرژی پایین
معایب
- بیشترین سهم بازگشت آب به مسیر نامناسب
- ورود مواد زائد به قسمت پرکننده
کاربرد
- صنایع گرمابر در پتروشیمی
- صنایع آلومینیوم و فشرده‌سازی هوا
جریان ناهم‌جهت
در این نوع تجهیز، جریان هوا دقیقا در خلاف جهت جریان آب وارد می‌گردد. هوا از پایین برج نزدیک قسمت پرشده وارد و از بالا خارج می‌شود. آب از بالا روی پرکننده‌ها اسپری می‌شود و در تماس «غیرهم‌جهت» (counter current) بیشترین سطح و زمان تماس با هوا را تجربه می‌کند. هوا گرما را از آب می‌گیرد و توسط فن از بالا به بیرون پرتاب می‌شود.
مزایا
- بیشترین تماس آب و هوا به دلیل توزیع قطرات
- بیشترین بازده در میان تمام انواع برج‌ها
معایب
- تولید صدای زیاد به دلیل اسپری و ریزش آب
- تعمیرات و نظافت سخت
کاربرد
- پالایشگاه‌های نفتی و گازی، پتروشیمی
مقایسه برج خنک کننده خشک نسبت به خیس
در این قسمت از مقاله که توسط کارشناسان شرکت دلتا کولینگ جمع آوری شده است به مقایسه برج خنک کننده خشک نسبت به خیس می پردازیم:
مصرف آب
در برج خنک کننده مدار بسته مصرف آب وجود ندارد در حالی که در نوع مدار باز یا همان تبخیری (تر) به علت بخار شدن بخشی از آب به خاطر در هم آمیختن آب با هوا، بایستی آب تازه ای جایگزین آن شود تا مدار همواره پر از آب باشد. همانطور که می دانید، اکثر مناطق کشورمان دارای آب و هوای گرم و خشک و یا نیمه خشک است و در اکثر مناطق با کمبود آب مواجه هستیم. با توجه به اینکه مصرف آب در برج های تبخیری قابل توجه است، استفاده از آن در این مناطق توصیه نمی شود.
از طرفی نیز راندمان نوع تبخیری یا همان مدار باز در مناطق با آب و هوای مرطوب نیز به علت کاهش راندمان و توان خنک کاری سیستم، پیشنهاد نمی شود. بنابرین در مناطق با آب و هوای خشک و اماکنی که با کمبود آب مواجه هستند و نیز مناطق با آب و هوای مرطوب، استفاده از برج خنک کننده مدار بسته (خشک) پیشنهاد می شود.
آلودگی، رسوب و خوردگی
آلودگی، رسوب و خوردگی برج خنک کننده مدار بسته بسیار کمتر از نوع تبخیری (مدار باز) است زیرا در نوع تبخیری، آبگرم به صورت آزادانه با هوای درون برج تبادل گرمایی انجام داده و محیطی مرطوب و گرم و مستعد رشد باکتری را فراهم می آورد. در ضمن کل آب مدار آن باید به صورت دوره ای جهت گندزدایی تعویض و مواد شیمیایی به آن افزوده شود.
نوع سیال درون لوله
چون سیال داغ درون لوله ها و در مسیری بسته حرکت می کند، به جای آبگرم ، هر نوع سیال دیگری مانند مبرد (گاز فریون) یا هر نوع سیالی در صنعت که نیاز به خنک شدن دارد، می تواند در این نوع از برج ها جاری شده و توسط هوایی که با فن ها دمیده می شود، خنک گردد. در حالی که در برج های مدار باز فقط می توان آبگرم را خنک نمود.
تعمیرات
در برج خنک کن مدار بسته به دلیل وجود تجهیزات بیشتر ;مانند کوئل،پمپ،در طولانی مدت تعمیرات بسیار مشکلتر،پر هزینهتر و زمانبرتر خواهد بود.
انواع برج های خنک کننده
برجهای خنک کننده را می توان از دیدگاه های مختلف به شرح زیر تقسیم بندی نمود:
- جنس بدنه : گالوانیزه- فایبر گلاس- بتنی
- نحوه مکش جریان هوا : طبیعی – اجباری
- سیستم توزیع آب : نازل – تشتک- بازوهای آبگردان
- شکل ظاهری : باتل – مکعبی
- نوع عملکرد: برج خنک کننده مدار باز یا خیس -برج خنک کننده مدار بسته یا خشک – برج هیبریدی
- جریان هوا : طبیعی ،مکانیکی ، اجباری، القایی ، مرکب
دسته‌بندی بر اساس نوع مکش هوا
مکش طبیعی
برجهای خنککننده با «مکش طبیعی» (Natural draft) گرمای اضافی سیستم را می‌گیرند و به اتمسفر تخلیه می‌کنند. در این فرایند آب گرم با کمک پمپ از ورودی آب گرم نزدیک به بالای برج وارد می‌شود. تعدادی نازل متصل به ورودی آب گرم، آب را درون برج اسپری می‌کنند. هم‌زمان هوا در جهت مخالف از پایین برج وارد می‌شود. آب در تماس با هوا شروع به تبخیر می‌کند. 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.
دمای هوا به دلیل گرفتن گرما از آب در حال تبخیر بالا می‌رود. هر چه دما بالاتر رود چگالی هوا کمتر و در نتیجه میل به صعود بیشتر می‌شود. مشابه این پدیده را در بالا رفتن هوای گرم در خانه یا دود داغ در بخاری مشاهده می‌کنید. به همین دلیل مکشی طبیعی ایجاد می‌گردد که هوا را از پایین تا بالای برج می‌برد و آن را به بیرون پرتاب می‌کند.
مزایا
- هزینه‌ی پایین نگهداری و بهره‌برداری
- ایمنی بالا
- بازده بالای انرژی
معایب
- عدم تطابق با تمام 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 در پایین برج تعبیه شده است، به بالا هل داده می‌شود. آب گرم نیز از بالای برج وارد می‌گردد. تماس غیرهم‌جهت آب و هوا منجر به تبخیر بخشی از آب و انتقال گرما به هوا می‌شود. میزان سرمایش در این مبدل‌ها نسبت به نوع دیگر کم است و محدودیت‌هایی از نظر عملیاتی (گردش هوای گرم شده و ورود مجدد به برج) دارد.
مزایا
- بهره‌برداری و تعمیر آسان به دلیل دسترسی به فن، موتور و قطعات در پایین برج
- مناسب در مقاومت زیاد هوا
معایب
- نیاز به توان بالای فن
- مشکل در چرخش هوای گرم شده و ورود مجدد به برج
کاربرد
«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. یک تقسیم کننده آب را به درون برج اسپری می‌کند. 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 پرتاب می‌کند. در این نوع از برج، زمان تماس هوا و آب بیشتر است که منجر به بازدهی بالاتر می‌گردد.
مزایا
- عدم برگشت مجدد هوای گرم شده به سیستم
- نیاز به فضای کم برای نصب
معایب
- نیاز به نگهداری و تعمیرات سنگین فن، موتور و قطعات مکانیکی دیگر به دلیل در تماس بودن با هوای مرطوب
- احتمال خوردگی بالا
کاربرد
- بهترین عملکرد برای واحدهای خنککننده، صنایع شیمیایی و غذایی
دسته‌بندی بر اساس روش انتقال حرارت
برج خنککننده خشک
در این تجهیز، آب به عنوان واسطه‌ی خنک کردن مورد استفاده قرار نمی‌گیرد. گرما بدون مصرف آب مستقیما وارد اتمسفر می‌شود. انتقال حرارت از طریق یک سطح که سیال فرایندی را از هوا جدا می‌کند، صورت می‌گیرد. این روش از خنک کردن مناسب سیال‌های فرایندی است.
مزایا
- تعمیرات دوره‌ای ساده
- عدم مصرف آب
کاربرد
- واحدهای تولید برق
- مناسب در واحدهای پردازش آهن
برج خنککننده 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 آب است. آبی که قرار است خنک شود از واحد به برج پمپ می‌شود. تبخیر آب در هوای ورودی باعث کاهش دمای آن می‌گردد. قسمت پرشده نقش زیادی در افزایش سطح و زمان تماس دارد.
معایب
- هزینه‌بر بودن بهره‌برداری
کاربرد
- پتروشیمی، پالایشگاه و نیروگاه
برج خنککننده 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)، دو مسیر خارجی مجزا به همراه یک کویل خنککننده وجود دارد. این کویل سیال فرایندی را از هوای بیرون جدا می‌کند تا آلودگی وارد آن نگردد. سیال فرایندی درون مدار داخلی جریان دارد. آب در مدار خارجی و در ترکیب با هوا گردش می‌کند. گرما از سیال فرایندی در ابتدا به آب منتقل و سپس از طریق تبخیر به هوا دفع می‌شود.
مزایا
- کاهش هزینه‌ی عملیاتی پمپ کردن
- نیاز به مساحت و حجم کم برای نصب
معایب
- گران بودن
- سنگین‌تر و بزرگ‌تر بودن نسبت به نوع مدار باز
کاربرد
- در صنایع برودتی، تهویه‌ی مطبوع و گرمایش
اجزاء مهم برج خنک کن‌ها
اجزاء مهم برج خنک کن‌ها عبارتند از:
۱- فن برج خنککننده
فن‌ها نقش مهمی در خنک‌سازی دارند و از نوع یا می‌باشند.
فن‌های مورد استفاده در برجهای خنککننده، از لحاظ فرم هندسی و نحوه تولید به صورت کلی به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند.
۱- فن ضربی برج خنککننده:
این فن‌ها با قطر بین ۰٫۵ تا ۱٫۲ متر در حالت کلی از ورقه فولادی ساخته شده و توسط قالب پرس تولید می‌گردند.
این نوع فن کولینگ تاور در صورتیکه از تولیدکنندگان معتبر خریداری شود از لحاظ قیمت و کیفیت در بازه مناسبی قرار دارد. باید در نظر داشت با توجه به جنس فن و روش تولید، این نوع فن در قطر بیش از ۱ متر دچار لرزش خواهد شد و به همین دلیل دارای محدودیت ابعاد است.
۲- فن پروفیل ایر فویل کولینگ تاور:
همانگونه که از نامشان پیداست این فن‌ها دارای پروفیل ایرفویل می‌باشند و در طول فن، فرم پروفیل و ابعاد هندسی آن ثابت است (به جز بخش انتهایی که در آن قسمتی از یال، بریده شده‌است). جنس این نوع فن برج خنک کن عمدتاً از پروفیل آلومینیوم است که با روش اکسترود و پولترود تولید می‌شود. دلیل استفاده از آلومینیوم در پره فن برج خنک کن، استحکام مناسب نسبت به وزن کم، دمپ کردن ارتعاش و مقاومت بالا در مقابل خوردگی است.
بازه ابعادی معمول فن آلومینیوم کولینگ تاور از قطر ۰٫۸ متر تا ۳ متر می‌باشد. این فن‌ها دارای قیمت کمتری نسبت به فن‌های کامپوزیتی (نوع سوم فن محوری) هستند لیکن معایب خاص خود را نیز دارند.
۳- فن پروفیل ایر فویل با فرم پروفیل متغیر (فن کامپوزیت برج خنک کن):
فن کامپوزیت فایبر گلاس گلاس کولینگ تاور که سابقه تولید آن از دو نوع قبلی کمتر است علاوه بر دارا بودن پروفیل ایرفویل، به دلیل چرخش پروفیل در شعاع فن و تغییر زاویه حمله، دبی یکنواخت تری نسبت به دو نوع قبلی دارد، و به همین دلیل سرعت خطی لبه این نوع فن تا ۶۰ قابل قبول می‌باشد.
از مهم‌ترین مزایای فن فایبر گلاس پروفیل ایرفویل برج خنککننده، می‌توان به مصرف انرژی و وزن کمتر آن نسبت به نمونه‌های دیگر، صدای تولیدی کمتر و میزان هوادهی بیشتر اشاره کرد.
۲- پکینگ یا مدیا
برای افزایش تبادل حرارتی بین جریان در داخل برج خنک کن از پکینگ‌ها استفاده می‌گردد که با افزایش سطح تماس جریان آب با هوا و همچنین کاهش سرعت جریان آب، در خنک‌سازی جریان آب نقش مؤثری دارند. پکینگ‌ها به صورت شبکه‌ای بوده و در دو نوع غشایی(Film Packing) و اسپلش (Splash Packing)در برج خنک کن‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.
۳- حوضچه یا باسین
در قسمت زیرین برج خنک کن قرار دارد و آب خنک شده در آن جمع‌آوری شده و به سمت سیستم‌های سردسازی هدایت می‌شود.
۴- قطره گیرها
تیغه‌های قطره گیر برای جلوگیری از پخش ذرات آب و ممانعت از خروج آن‌ها به محیط بیرون از برج خنک کن بکار می‌روند.
جنس ساختاری
برج خنک کن‌ها معمولاً به چند صورت فلزی، ، و ساخته می‌شوند.
(برج خنککننده فایبر گلاس طرح مکعبی – برج خنککننده مارلی (ذوزنقه‌ای) – برج خنککننده مارلی (مکعبی)- برج خنککننده مدل سانتریفیوژ – برج خنککننده کانتر فلو فلزی – برج خنککننده گِرد
برج خنک کن‌ها را با توجه به موارد زیر می‌توان دسته‌بندی کرد. البته باید توجه داشت که یک برج خنک کن می‌تواند ترکیبی از هر کدام از دسته‌های زیر باشد و این دسته‌بندی صرفاً برای نشان دادن وضعیت عملکرد برج خنک کن‌ها در حالات زیر می‌باشد:
۱-نیروی محرک جریان هوا
برج خنک کن‌ها از لحاظ اینکه نیروی جریان دهنده هوا طبیعی یا مکانیکی باشد به دو دسته تقسیم می‌شوند.
برج خنک‌کن فن دار
در برجهای فن دار یک یا چند فن وظیفه به جریان درآوردن هوا را در داخل برج خنک کن دارند. در این نوع تا زمانی که فن روشن است جریان هوا بین محیط داخل برج و بیرون برقرار است همچنین نسبت به برجهای بدون فن فضای کمتری را اشغال می‌کنند. اما مهم‌ترین عیب این نوع صدا و لرزشی است که فن یا فن‌ها ایجاد می‌کنند.
برج خنک کن بدون فن
در برجهای بدون فن جریان هوا به صورت طبیعی ما بین برج و محیط بیرون جابجا می‌شود. از جمله مزایا این دسته می‌توان به مصرف کمتر ، صدای کم، قطعات متحرک کمتر و عدم پاشیدن آب به فضای اطراف و از معایب آن می‌توان به راندمان پایین‌تر و هزینه بیشتر جهت ساخت آن، اشاره کرد.
۲-مکانیسم انتقال حرارت
از نظر شیوه‌های به سه دسته تقسیم می‌شوند.
برج خنک کن مرطوب
در برج خنک کن‌های مرطوب (Wet-Cooling Tower) آب گرم از بالای برج با عبور از پکینگ‌ها و برخورد با جریان که از محیط بیرون توسط فن یا به صورت طبیعی وارد برج می‌شود ضمن تبادل حرارتی و خنک شدن در پایین برج ته‌نشین می‌شود. مهم‌ترین عیب این سیستم پاشیدن ذرات آب به اطراف و همچنین تبخیر بیش از حد آب می‌باشد.
برج خنک کن خشک
در مناطقی که بعلت عدم وجود آب کافی باید از اتلاف آب و تبخیر بیشتر جلوگیری نمود از برج خنک کن‌های خشک HELLER (هِلِر) (Dry-Cooling Tower) استفاده می‌شود. در این دسته، آب گرم به جای عبور از پکینگ‌ها از لوله‌های پره دار که با هوای سرد در تماس می‌باشند عبور کرده و خنک می‌گردد. از معایب این سیستم کاهش راندمان با افزایش دمای محیط اطراف می‌باشد.
برج خنک کن خشک-مرطوب
این نوع، ترکیبی از برج خنک کن‌های خشک و مرطوب بوده و برای کاهش عوارض و معایب دو سیستم فوق بکار می‌رود. برج خنک کن‌های خشک-مرطوب(Dry-Wet Cooling Tower) دارای دو مسیر هوا به صورت موازی و دو مسیر آب به صورت سری می‌باشند. آب گرم ابتدا وارد لوله‌های پره دار و سپس وارد پکینگ‌ها می‌شود و در طول این مسیر با هوای سرد تبادل حرارتی داشته و آب سرد در پایین برج جمع می‌گردد.