برج خنک کن ( Cooling Tower )

در اوایل قرن بیستم، آغاز انقلاب صنعتی، اولین نمونه‌های برج خنک کن ( Cooling tower ) با استفاده از کاهش دمای ناشی از تبخیر ابداع گردید.

برج‌های خنک‌کننده اولیه، دارای سیستم بسیار ساده ای بودند که در آن آب از ارتفاع مشخصی به داخل برج خنک کن پاشیده می‌شد و به واسطه برخورد با هوا خنک می‌گردید. این برج‌ها اغلب در پشت بام ساختمان‌ها یا به صورت سازه‌ای مجزا در کنار ساختمان اصلی قرار می‌گیرند و هوا به کمک فن ها و مکانیسم جابه‌جایی اجباری یا به طریق مکانیسم جابه‌جایی آزاد به جو منتقل می‌شود. در مناطقی که منابع آبی قادر به فراهم کردن آب برج خنک‌کن هستند، از سیستم حوضچه‌های آبی استفاده می‌شود و در مناطقی که محدودیت منابع دارند، مثل شهرهای بزرگ، از برج‌های خنک‌کننده استفاده می‌شود. برج خنک‌کننده سیستمی است که از آن به جهت خنک‌ سازی آبی در فرایندهای سردسازی سیستم‌های تهویه مطبوع، پالایشگاه‌ها، نیروگاه‌ها و غیره استفاده می‌گردد.

امروزه این برج ها، سیستم توضیع و پخش آب گرم دارند که آب را بصورت یکنواخت روی شبکه مشبک نزدیک به هم، آکنه یا پر کننده، به هم میپاشد. با توجه به اینکه در این فرایند دما و رطوبت هوا از برج افزایش می یابد، بدیهی ست میزان تاثیر برج خنک کن تا حد زیادی به درجه حرارت مرطوب هوای ورودی بستگی دارد و با کاهش آن افزایش می یابد .

عوامل دیگری که عملکرد برج های خنک کن را تحت تاثیر قرار میدهند عبارتند از :

• سطح و زمان تماس آب و هوا
• سرعت هوای عبوری از برج
• جهت جریان هوا نسبت به سطح تماس آب ( همسو و غیر همسو )
• سطح تماس آب با هوا شامل موارد ذیل می باشد :
• سطح آب در تشتک برج
• کلیه سطوح خیس شده در برج مانند پکینگ ها
• سطح کل قطرات آب پاشیده شده در برج

اجزاء اصلی یک برج خنک کن عبارت اند از:

• بدنه و پوسته ( CASINHG-FRAME )
• واسته های انتقال حرارت ( FILL )
• پر کننده تشریحی (SPLASH PACKINHG )
• پر کننده فیلمی ( FILM PACKINHG )
• حوزچه آب خنک ( cold water basin )
• قطره گیرها یا حذف کننده ها ( drift eliminator )
• ورودی هوا ( air inlet )
• پکینگ ها
• نازل ها
• فن ها
• تجهیزات مکانیکی ( انتقال قدرت ( تسمه/ جعبه دنده Gear box))

برج ها از نظر ساختار بدنه:

برج خنک کن گرد یا بطری شکل ( Bottle Shape Cooling Towers ) : این نوع برج ها دارای تشتک و فن جریان محوری در گلوی فوقانی است. جریان آب و هوا در اینگونه برج ها از نوع مخالف است. آب از بالا به پایین جریان می یابد و هوا از پایین به بالا. بستر توزیع و گستر آب در مدل از جنس PVC است.

بدنه این نوع برج با استفاده از بهترین رزین‌ها و الیاف ویژه سوزنی و حصیری (ساخت اروپای غربی) یا در حقیقت کامپوزیت ساخته می‌شوند. همچنین، بدنه فایبرگلاس در مقابل تابش اشعه ماوراء بنفش خورشید (UV) و نیز شرایط جوی متغیر از تابستان تا زمستان کاملا” پایدار و مقاوم بوده و بدلیل روش ساخت و رنگ آمیزی در مقابل تابش نور خورشید تغییر نمی‌کند. ضخامت بالای بدنه و تشتک یا بیسین برج خنک‌کننده فایبرگلاس با توجه به روش تولید آن بصورت مناسب و مقاوم انتخاب می‌گردد. پکینگ‌ها یا المانهای انتقال حرارت و جرم این مدل برجها از مرغوبترین مواد پلی اتیلن با ضخامت 400 میکرون و Coating یا روکش مخصوص دارای درجه داروئی ساخته می‌شود. اندازه دهانه ورودی آنها بر حسب املاح موجود در آب محل مصرف محاسبه شده و تعیین می‌گردد. گام این پکینگ ها از 12 تا 19 می باشد.المانهای انتقال حرارت برج خنک کن در اشکال و انواع مختلف تولید شده و دارای راندمان انتقال حرارت بسیار بالا می‌باشند.

برج خنک کن مکعبی:

بر اساس شکل و ورق گالوانیزه این بدنه نام گذاری شده. این برج های کم ظرفیت، دارای یک فن جریان محوری در سطح جانبی است و بستر ریزش آب در آنها از چوب اشباع شده، مواد پلیمری و یا ورق گالوانیزه است. در ضمن، استفاده ای از افشانک ها نمیشود بلکه آب ورودی به تشتک فوقانی برج ریخته و سپس از روی سطوح چوبی یا پلیمری گذر کرده و در تشتک زیرین برج جمع میشود. در برج های مکعبی که پرظرفیت اند، از افشانک و فن های گریز از مرکز استفاده میشود.

بدنه هر کدام از انواع کولیمگ تاور ها را میتوان از مواد مختلفی مانند: فایبرگلاس، ورق گالوانیزه، ورق استیل و بتن ساخت. فایبرگلاس و بتن ویژگی بهتری در برابر خوردگی دارند. ورق فلزی گالوانیزه و استیل (در صورت وجود جنس با کیفیت) گزینه مناسبی برای ساخت بدنه برج خنک کننده مکعبی هستند.

برج خنک کن گالوانیزه ذوزنقه ای جریان متقاطع (Cross flow) :

این نوع برج ها برای ظرفیت های بالا مخصوصاً در مصارف صنعتی متوسط (مانند آب گردشی موتورخانه ها یا مبدلهای حرارتی کارخانجات شیمیایی و کوره ها) است که سقوط بیشتر درجه حرارت آب مدنظر می باشد. طریقه ساده برج های مکعبی SC باعث افزایش جاگیری و قیمت برج می شود. در چنین مواقعی برج های ذوزنقه ای STC با ریزش قائم آب و وزش مختلط افقی و قائم هوا تعبیه شده است.

برج خنک کن گالوانیزه ذوزنقه ای دارای فن جریان محوری بزرگ در قسمت فوقانی میباشند. ظرفیت برج های ذوذنقه ای چوبی معمولا زیاد و فن های آنها نیز دارای قطر قابل توجه ای است. به همین دلیل انتقال حرکت الکتروموتور به پروانه به وسیله گیربکس انجام میشود.

برج های خنک کن هذلولی:

همچنین؛

برای استفاده صنعتی، برج های خنک کننده بصورت هذلولی ساخته می شوند.

مدل هذلولوي برج خنك كننده اولين بار توسط دو مهندس آلماني به نامهاي ون و كوپير ايترسون ( KUPYER & VAN ITERSON ) در سال 1914 استفاده شد كه ارتفاع برج 35 متر بود.دلیل استفاده از شکل هذلولی در برج خنک کننده صنعتی، سرعت بخشیدن به همرفتی رو به بالای جریان هوا و در نتیجه افزایش راندمان کاری برج خنک کن است. این مدل در میان صنعت های مرتبط با نیروگاه های هسته ای محبوب تر است.

سیستم مکش هوای این برج ها به صورت جریان طبیعی است و به گونه ای طراحی شده است که هنگامیکه آب تبخیر شده به بالا می رود به علت برخورد با منطقه باریک در وسط برج خنک کن سرعت حرکتش بیشتر شده و هنگامی که به قسمت عریض تر برج (بالای آن) می رسد تماس بین هوای گرم و اتمسفر بهتر صورت می پذیرد.

عواملی که بر عملکرد برج خنک کن تاثیر میگذارند

به منظور انتخاب یک برج خنک کن، لازم است تا مقدار کل گرمای انتقال یافته به کندانسور چیلر، با صرف کمترین میزان انرژی کمپرسور چیلر، فن برج خنک کن و پمپ های کندانسور به اتمسفر دفع گردد.

از این رو انتخاب مناسب پارامتر هایی نظیر دامنه دمای رفت و برگشت آب یا Range و یا نزدیکی دمای آب رفت به کندانسور به دمای تر محیط Approach، چگونگی قرار گیری پر کننده ها Fill و چگونگی توزیع آب برج های خنک کن از اهمیت زیادی برخوردار است.

برج های خنک کن در تهویه مطبوع بر اساس شرایط زیر رده بندی میشوند:

• آهنگ آب در گردش، 3GPMTon
• دمای آب وروردی به برج،°F 95
• دمای آب خروجی از برج، 85
• دمای تر هوای بیرون، 78
• دامنه دمای آب رفت و برگشت( Range ) ، °F 10
• نزدیکی( Approach ) ،°F 7

محل نصب:

برج های خنک کن فضای بیشتری را میطلبند. بهترین محل نصب، روی زمین و نزدیک مرکز تاسیسات میباشد ولی گاهی به علت محدودیت مکان، آن را روی سقف ساختمان قرار میدهند؛ البته قابل به ذکر است باید سقف ساختمان قدرت تحمل وزن برج خنک کن همراه با آب را داشته باشد.

اما چنانچه قرار باشد برج در داخل ساختمان و محصور بین دیوار ها نصب گردد، موارد زیر بایستی مورد توجه قرار گیرد:

باید فضای کافی و بدون مزاحم در اطراف برج وجود داشته باشد تا هوای لازم به برج برسد. هوای گرم خروجی از برج باید به گونه ای تخلیه شود که امکان بازگشت و برگشت 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 حردج از برج میشود. گردش مجدد هوا به داخل برج هنگامی مورد توجه قرار میگیرد که چند برج در مجاورت همدیگر باشند.

بعلاوه، نصب برج خنک کننده در ترازی پایین تر از کندانسور آبی یا هر دستگاه دیگری که آب خروجی از برج وارد آن میشود، باعث سرریز شدن برج در هنگام خاموش بودن کندانسور آبی میشود. بنابراین بهتر است حتی الامکان برج بالاتر از کندانسور آبی چیلر نصب شود. مسیر سرریز برج باید به مسیر تخلیه آن متصل شده و هیچ شیری نباید در سر راه آن قرار داده شود. در برج خنک کننده باید علاوه بر خط پرکن آب جبرانی (Make up) از یک پرکن آب شهری نیز استفاده نمود.

تعیین محل نصب برج به عوامل زیاد دیگری بستگی دارد که شرح آن در این مقال نمیگنجد.