پیش از پرداختن به نحوه کارکرد برج خنک کننده (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. 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؟!
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.
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.
عملکرد قطره گیر
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 برج خنک کننده مداربسته 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. 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
کولینگ تاور 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:
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.
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.
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…)
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.
عملکرد برج خنک کننده جریان طبیعی
سیستمهای کولینگ جریان طبیعی فاقد قطعه فن میباشند. یعنی مکش هوای خنک بیرونی با استفاده از چندین اتاقک و بصورت طبیعی صورت می پذیرد. لذا مشخصاَ نحوه کارکرد برج خنک کننده طبیعی، با کاهش راندمان قابل توجه همراه خواهد بود. همین عامل موجب شده تا امروزه استفاده از کولینگ تاورهای جریان طبیعی، بسیار بسیار کاهش یابد. همچنین باید گفت که با توجه به مکانیزم خاص برجهای جریان طبیعی، آلودگی زیادی به سیال سرایت می کند.
یکی از معدود مزایای کارکرد برج خنک کننده جریان طبیعی، عدم آلودگی های صوتی شدید در آنهاست. زیرا از قطعه فن در آنها استفاده نمیشود. طراحی این سیستمها بر مبنای در نظرگیری 2 فضای متمرکز استوار است. اولین فضا برای ورود جریان طبیعی هوا؛ و دومین فضا به منظور برخورد سیال و هوای وارد شده به دستگاه. بنابراین تبادل حرارت در این تجهیزات بصورت مستقیم میباشد، اما با راندمانی شدیداَ پایینتر!
نحوه کارکرد برج خنک کننده جریان متقاطع
ویژگی ها و نحوه عملکرد برج خنک کننده جریان متقاطع یا کراس فلو را میتوان در موارد زیر شرح داد:
آرایش و جهت برخورد آب و هوا در این کولینگ تاورها، به گونهی عمود بر هم است. یعنی اینکه به مانند تمامی مدلهای مدارباز، ابتدا آب از پایین به بالا پمپاژ میشود. درادامه این آب داغ بر روی پکینگ برج خنک کننده پاشش پیدا کرده و همزمان دو فن، جریان هوا را به درون دستگاه وارد میکنند.
درنتیجه تماس مستقیم بین جریانهای سیال و هوا اتفاق می افتد و فرآیند خنکسازی تبخیری ایجاد میشود.
دو فن در دو طرف برج خنک کننده جریان متقاطع (Cross Flow) نصب میشود. درنتیجه هوای ورودی از دو سمت به شکل عرضی وارد دستگاه میگردد و برخورد متقاطع (عمود) بوجود میآورد.
با توجه به نیاز به نصب دو فن در دو سمت دستگاه، طراحی این برجها به صورت مکعبی صورت میگیرد. (و نه مخروطی و دایره ای)
بازدهی خنک سازی در این نوع سیستمهای کولینگ، بسیار بالاست. (بدلیل بکارگیری دو فن در دو سمت دستگاه و مکش قدررتمند هوا)
کولینگ تاور کراس فلو (جریان متقاطع)، انتخابی ایده آل برای اقلیمهای معتدل و مرطوب به شمار میرود. زیرا رطوبت و قطرات ریز آبها را در لایههای بالایی خود حفظ میکند. در نتیجه عملکرد بسیار متمایزتری در این اقلیمها داشته و ضمن حفظ راندمان بالا، هماهنگی محیطی مناسبی نیز خواهد داشت.
نحوه کارکرد کولینگ تاور جریان مخالف
ویژگی ها و نحوه عملکرد برج خنک کننده جریان متقاطع یا کراس فلو را میتوان در موارد زیر شرح داد:
آرایش و جهت برخورد آب و هوا در این کولینگ تاورها، به گونهی عمود بر هم است. یعنی اینکه به مانند تمامی مدلهای مدارباز، ابتدا آب از پایین به بالا پمپاژ میشود. درادامه این آب داغ بر روی پکینگ برج خنک کننده پاشش پیدا کرده و همزمان دو فن، جریان هوا را به درون دستگاه وارد میکنند.
درنتیجه تماس مستقیم بین جریانهای سیال و هوا اتفاق می افتد و فرآیند خنکسازی تبخیری ایجاد میشود.
دو فن در دو طرف برج خنک کننده جریان متقاطع (Cross Flow) نصب میشود. درنتیجه هوای ورودی از دو سمت به شکل عرضی وارد دستگاه میگردد و برخورد متقاطع (عمود) بوجود میآورد.
با توجه به نیاز به نصب دو فن در دو سمت دستگاه، طراحی این برجها به صورت مکعبی صورت میگیرد. (و نه مخروطی و دایره ای)
بازدهی خنک سازی در این نوع سیستمهای کولینگ، بسیار بالاست. (بدلیل بکارگیری دو فن در دو سمت دستگاه و مکش قدررتمند هوا)
کولینگ تاور کراس فلو (جریان متقاطع)، انتخابی ایده آل برای اقلیمهای معتدل و مرطوب به شمار میرود. زیرا رطوبت و قطرات ریز آبها را در لایههای بالایی خود حفظ میکند. در نتیجه عملکرد بسیار متمایزتری در این اقلیمها داشته و ضمن حفظ راندمان بالا، هماهنگی محیطی مناسبی نیز خواهد داشت.
مکش و ورود متفاوت هوا به برج خنک کننده جریان مخالف، موجب تفاوت جهت برخورد سیال و آب شده است. بگونهای که سیال داغ از شبکه توزیع بالای دستگاه، به سمت پایین و برروی پکینگ مدیا سرازیر میشود. همچنین درسوی دیگر، فنهای تعبیه شده در زیر دستگاه، هوا را از پایین به بالای برج وارد میکنند. بنابراین برخورد دو جریان سیال داغ و هوای خنک، به صورت مخالف جهت هم انجام میپذیرد.
روند برخوردهای میان آب و هوای به گردش درآمده، طی چندین مرحله بایستی انجام شود تا سیال کاملاَ خنک شود. لذا نحوه کارکرد برج خنک کننده جریان مخالف (کانترفلو)، با سرعت به مراتب کمتری همراه است. (در مقایسه با نحوه عملکرد خنکسازی برجهای جریان متقاطع)
مکانیزم عملکرد برج خنک کننده جریان موافق (همسو)
بکارگیری این برجها تا حدود زیادی منسوخ شده است. زیرا نحوه کارکرد برج خنک کننده جریان همسو، بر مبنای حرکت «هم جهت» جریان هوا و آب داغ طراحی میشود. لذا برخورد و مدت تماس آب داغ و هوا شدیداَ کاهش می یابد و بالطبع، بازدهی خنک کاری نیز کاهش خواهد داشت. از همین رو طراحی این نوع سیستمهای کولینگ، امروزه چندان رایج نیست و مورد استقبال قرار نمیگیرد.