برج های خنك كننده Cooling Tower

مقاله
برج های خنك كننده
Cooling Tower

علاوه بر كاربرد برج‌های خنك كننده در تهويه مطبوع در اكثر كارخانجات كوچك و بزرگ يكي از مهمترين و اساسي ترين دستگاهها، انواع برجهاي خنك كننده هستند. برجهاي خنك كننده علاوه بر آب به منظور خنك كردن سيالاتي ديگر در صورت لزوم مورد استفاده واقع مي‌شود.
با توجه به اينكه برجهاي خنك كننده معمولاً حجيم مي‌باشند و به علت پاشيدن آب در محيط اطراف خود و خرابي تجهيزات ، آن را معمولاً در انتهاي فرآيند و يا در فضاي كاملاً باز نظير پشت‌بام ساختمانها و … نصب مي‌كنند.
برج خنك كن دستگاهي است كه با ايجاد سطح وسيعي در تماس آب با هوا ، عمل تبخير را آسان نموده و در نتيجه باعث خنك شدن سريع آب مي‌گردد. عمل خنك شدن در اثر از دست دادن گرماي نهان تبخير انجام مي‌گيرد در حالي كه مقدار كمي آب بخار
مي‌شود و سبب خنك شدن آب مي‌گردد . بايد توجه داشت كه آب مقدار اندكي از گرماي خود را از طريق تشعشع (Radiation) و در حدود آن را از راه هدايت (Conduction) و جابجايي (Convection) و بقيه را از راه تبخير از دست‌ مي‌دهد.
اختلاف فشار بخار آب بين سطح آب و هوا باعث تبخير مي‌شود. اين اختلاف بستگي به دماي آب و ميزان اشباع هوا از آب دارد.
مقدار گرماي كه بوسيله مايعي جذب يا دفع مي‌شود از رابطه زير به‌دست مي‌آيد:

در رابطه بالا :
• E گرماي دفع يا جذب شده بر حسب يا
• W دبي مايع خنك شونده بر حسب
• S گرماي ويژه مايع عخنك كننده بر حسب
• كاهش دماي مايع خنك شونده بر حسب f
در حاليكه عمل خنك شدن از طريق تبخير انجام مي‌گيرد گرماي نهان تبخير از دست داده شده بايد به آن اضافه گردد و آن برابر است با حاصل ضرب گرماي نهان تبخير در دبي .
برجهاي خنك كننده (Cooling tower) را به سه گروه تقسيم مي‌كنند:
• برجهاي خنك كننده مرطوب (WET-COOLING TOWER)
• برجهاي خنك كننده خشك (DRY-COOLING TOWER)
• برجهاي خنك كننده مرطوب – خشك (WET-DRY COOLING TOWER)

برجهاي خنك كننده مرطوب (WET-COOLING TOWER)
برجهاي خنك كننده مرطوب حرارت تلف شده به وسيله دستگاه را به وسيله مكانيزمهاي زير به محيط مي‌دهند:
• بوسيله افزايش حرارت هواي اطراف
• بوسيله تبخير بخشي از آب در حال گردش در سيستم
• بوسيله افزايش دماي مخزن طبيعي آب جمع‌آوري سرد شده
برجهاي خنك كننده يك سيستم توزيع و پخش آب گرم دارند كه آب را به صورت يكنواخت روي يك شبكه كاري مشبك از تخته‌هاي افقي نزديك به هم مي‌باشد كه اين شبكه‌ها آكنه ناميده مي‌شوند . آكنه‌ها آب سرازير شده از بالاي برج را با هوايي كه از ميان آنها حركت مي‌كند كاملاً مخلوط كرده بطوريكه آب به صورت يك قطره از يك آكنه به سطح آكنه ديگر توسط نيروي ثقل خود مي‌ريزد. هواي بيروني از طريق دريچه‌هايي وارد مي‌شود ، در اثر اختلاط آب و هوا ، انتقال حرارت وانتقال جرم اتفاق افتاده و در نتيجه آب سرد مي‌گردد، اكنون هواي مرطوب و گرم از بالاي برج خارج مي‌گردد.

برجهاي خنك كننده خشك (DRY-COOLING TOWER)
در مكانهايي كه آب كافي براي برج خنك كننده مرطوب وجود ندارد ، مي‌بايست از اتلاف بر اثر تبخير حداكثر جلوگيري بعمل آورد ، از اين نوع برج استفاده مي‌شود . در برجهاي خنك كننده خشك ، آب در حال گردش از ميان لوله‌هاي پره‌دار عبور كرده بطوريكه هواي سرد از روي آنها عبور مي‌كند . بنابراين حرارت آب در حال گردش از طريق لوله‌ها خارج شدهه و جذب هواي سرد مي‌گردد.
برجهاي خنك كننده خشك – مرطوب (WET-DRY-COOLING TOWER)
با توضيحاتي كه در مورد دو نوع برجهاي قبلي داده شد مشخص مي‌شود كه برجهاي مرطوب هميشه مقداري آب بصورت تبخير ، مكش توسط هوا و نشتي مصرف مي‌كنند. همچنين اين برج دچار مشكل پراكندن ذرات آب هست . برجهاي خنك كننده خشك مشكلي بر كاركرد نيروگاه بخصوص در موقع گرم شدن هواي محيط تحميل مي‌كند. در چنين مواردي براي كاهش عوارض حاصل از دو نوع برج ذكر شده از برجهاي خنك كننده خشك – مرطوب استفاده مي‌شود.
تقسيم بندي برجهاي خنك كننده از لحاظ توليد هواي ورودي به برج

• برجهاي خنك كننده با كشش طبيعي هوا (Natural Drafr)
• برجهاي خنك كننده با كشش مكانيكي هوا (Mechanical Draft)
برجهاي خنك كننده با كشش طبيعي هوا (Natural Draft)

اين برجهاي خنك كننده به شكلي طراحي شده كه هواي خنك بيرون به طور طبيعي وارد برج خنك كننده شده و پس از خنك كردن آب از قسمت‌ بالاي برج خنك كننده خارج مي‌گردد.
چگالي بين هواي بيرون و هواي گرم و مرطوب داخل برج ، موجب مكش هوا از جداره‌هاي اطراف و خروج آن از قسمت بالاي برج مي‌گردد. در شكل‌هاي زير نمونه‌اي از يك برج خنك كننده Natural Draft را مشاهده مي‌فرماييد. كاربرد اين نوع برج‌ها بيشتر در صنايعي همچون نيروگاهها و شركتهاي پالايش نفت مي‌باشد.
برجهاي خنك كننده با كشش مكانيكي هوا (Mechanical Draft)
در برجهاي خنك كننده با كشش مكانيكي ، هوا بوسيله يك يا چند بادبزن (FAN) كه بطور مكانيكي عمل مي‌نمايند به حركت در مي‌آيد . بطوريكه در ژنراتور هاي بخار ، باد بزنها كه از نوع كشش اجباري هستند در سطح زيرين جهت راندن هوا به داخل برج نصب شده‌اند. از لحاظ تئوري اين نوع برج ترجيح داده مي‌شود، زيرا فن با هواي خنك كننده كار مي‌كنندو بدين جهت نيروي كمتري را تلف مي‌كنند. بهرحال آزمايش و كار با اين نوع فن‌ها داراي بعضي نقطه ضعف‌هاست كه از آنجمله مي‌توان به موارد ذيل اشاره كرد:
پخش و توزيع هوا ، نشت و تراوش ، برگشت هواي خروجي مرطوب و داغ به برج و جمع شدن شبنم و سرماريزه در ضمن كار در زمستان .
در برجهاي كشش مكانيكي ، فن ها جايگزين دودكش ها در برجهاي كشش طبيعي مي‌شوند. خصوصيات عمل سرمايش ( خنك كردن ) قدري متفاوت است . در شرايط آب و هوايي كه رطوبت بسيار پايين است برجهاي كشش طبيعي بطور رضايت بخشي عمل مي‌كنند و در برجهاي كشش مكانيكي بسيار اقتصادي تر خواهند بود.
براي واحدهاي كوچك چند سلولي بدون شك برجهاي كشش مكانيكي ارزانتر از برجهاي كشش طبيعي است ، اما در مورد واحدهاي بزرگ كه تمايل به زياد شدن هزينه‌هاي اصلي و اوليه وجود ندارد بكار بردن برجهاي كشش مكانيكي هزينه توان مورد نياز بادبزن مي‌بايست مورد بررسي قرار گيرد.
يكي از اشكالات كاربرد برجهاي كشش مكانيكي تخليه پخش شده از برج در ارتفاع كم مي‌باشد كه ممكن است اين ذرات به داخل ورودي‌هاي هوا كشيده شوند . اين برگشت مجدد ذرات مي‌تواند سبب نزول ذرات و بدي عملكرد مجموعه بزرگي از تجهيزات سلولهاي برجهاي كشش مكانيكي گردد. بعلاوه اگر ذرات زمين كشيده شوند ممكن است اطراف برج مه آلود شود .
مزاياي اصلي برجهاي خنك كننده با كشش مكانيكي هوا
• اطمينان از به جريان انداختن هواي مورد نياز به هر ميزان و در شرايط اقليمي و آب و هوايي
• استفاده از پمپهاي با فشار كم
• اشغال فضاي كمتر جهت بهره‌برداري از اين نوع دستگاههاي مبرد
• تنظيم دقيق دماي آب
• سرمايه اوليه كم و هزينه ساخت ناچيز
معايب اصلي برجهاي خنك كننده با كشش مكانيكي هوا
• قدرت زياد بادبزنها مستلزم خرج زيادتر است
• ايجاد سرو صدا و لرزشهاي فراوان حاصل از گردش پروانه‌ها
• خسارت ناشي از خرابي فن‌ها
تقسيم‌بندي برجهاي خنك كننده مكانيكي
• برجهاي خنك كننده Induced Draft
• برجهاي خنك كننده Forced Draft
برجهاي خنك كننده Induced Draft
در اين نوع برج‌هاي خنك كننده فن در قسمت بالاي برج خنك كننده نصب مي‌گردد و جريان هوا با سرعت ورودي پايين و سرعت خروجي بالا در برج خنك كننده ايجاد مي‌گردد.
برجهاي خنك كننده Forced Draft
فن در اين گروه از برج خنك كننده در قسمت پايين آن نصب مي‌شود و لذا جريان هواي ورودي به برج خنك كننده نسبت به جريان خروجي آن داراي سرعت بيشتري مي‌باشد .
در اين برج هاي خنك كننده به دليل اينكه سرعت هواي ورودي به برج بيشتر از سرعت هواي خروجي است لذا احتمال وقوع پديده Recirculation بيشتر است . از طرف ديگر برج‌هاي خنك كننده Forced Draft به فن قوي تري نسبت به برج‌هاي خنك كننده از نوع Induced Draft نياز دارند . همچنين احتمال يخ‌زدگي در برج‌هاي خنك كننده فوق در شرايط زمستاني بيشتر خواهد بود.

تقسيم بندي برجهاي خنك كننده از لحاظ برخورد هواي ورودي با آب برج
• برجهاي خنك كننده با جريان مخالف Counter Flow
• برجهاي خنك كننده با جريان متقاطع Cross Flow
برجهاي خنك كننده با جريان با جريان مخالف Counter Flow
در اين برجها باد بزن هوا را در مسير مخالف آب از پايين به بالا از ميان سرتا سر آكنه ها به جريان در مي‌آورد . بنابراين خنك ترين آب در تماس با خشك‌ترين هوا مي‌باشد . چون جريان هوا از پايين به بالا مرطوب‌تر گشته ، در نتيجه آب از بالا به پايين نيز تدريجاً خنك تر مي‌شود
برجهاي خنك كننده با جريان متقاطع Cross Flow
در اين نوع برجها پنكه هاي جريان هوا افقي هستند بطوريكه جريان آب و هوا يكديگر را به صورت عمود قطع مي‌نمايند . اين نوع از برجها سطح وسيعتري از زمين را اشغال مي‌كنند ، اما هواي ورودي مي‌تواند ار تمام ارتفاع برج كه معمولاً زياد نيست وارد گردد . از مزاياي اين برج استفاده از پمپ با فشار كمتر و همچنين دسترسي به سيستم پخش آب بهتر است . در اين برجها در حوضچه سربازي اشغالها را جمع‌آوري مي نمايند و در صورتيكه اين حوضچه در داخل و زير سقف
قرار نگرفته باشد لازم است تا روي آن را بپوشانند . كه اين نوع برج خنك كننده مزاياي بيشتري نسبت به نوع Counter flow دارند.
قسمتهاي اصلي برج خنك كننده:

الف ) لوله‌ها و آكنه ها
شامل قسمتهايي هستند كه در جريان انتقال حرارت دخالت داشته در ضمن باعث مي‌شود كه مقدار آب گرم شده كه همراه باد خارج مي‌شود كم شده و از خروج آنها از برج جلوگيري شود . همچنين نگهدار خوبي براي قسمتهاي ديگر برج مي‌باشد .
مقدار تبخير بستگي به سطح برخورد آب با هوا و همچنين شدت جريان هوا دارد . براي اينكه حداكثر بهره‌برداري كه در طرح آن بكار رفته‌است رعايت شود در برجهاي خنك كننده از آكنه‌ها استفاده مي‌شود كه آب را به صورت قطره‌هايي در سطوح برج پخش مي‌كند تا سطح وسيعي بوجود آيد.

ب ) حوضچه
حوضچه در پايين برج قرار دارد كه آب خنك كننده در آن جمعم مي‌گردد . به حوضچه يك جريان بنام آب تكميلي يا آب جبراني (Make Up) وارد مي‌شود و يك جريان براي استفاده در دستگاههاي تبادل حرارت از آن خارج مي‌گردد. علاوه بر جمع آوري آب در حوضچه ، آب قبل از اينكه به سمت كندانسور پمپ شود صاف نيز مي‌گردد.
ج ) بادبزنها
در برجهاي خنك كننده با كشش مكانيكي بادبزنهاي نصب مي‌شوند تا جريان هواي لازم را جهت عبور از آكنه‌ها توليد نمايد . بادبزنها در برجهاي خنك كننده با كشش مكانيكي كاربرد دارند. توضيح در اين مورد ضرورتي ندارد و به همين مقدار اكتفا مي‌شود.
د ) حذف كننده ها
اين وسيله از خارج شدن قطرات آب بوسيله كشش هوا از برج جلوگيري بعمل مي‌آورد . تيغه‌ها معمولاً طوري نصب مي‌شوند كه با سطح افق زاويه‌اي در حدود 45 درجه بسازد . جنس اين تيغه ها از چوب ، فلز يا پلاستك ممكن است ساخته شده‌باشند.
آكنه ها
دو نوع آكنه ها كه در برجهاي خنك كننده ممكن است مورد استفاده قرار گيرد عبارتند از :
• SPLASH PACKING
• FILM PACKING

SPLASH PACKING
در اين نوع آكنه ها آب بر اثر برخورد با تيغه‌ها پخش و به صورت قطره قطره در آمده كه در نتيجه ايجاد سطح وسيع مي‌نمايد. از آنجايكه قطرات آب همراه پيوسته بوده و وزن سنگين دارند اين نوع دسته‌بندي ممكن است در اثر جريان دائمي از هم گسيخته گردد.

FILM PACKING
در اين نوع آكنه ها سطح وسيع از آب در اثر جريان آن در روي تيغه‌ها بوجود مي‌آيد . به طرق گوناگون مي‌توان چنين سطح وسيعي ايجاد كرد:

a. GIRD PACKING
در اين نوع آكنه‌ها از يك سري شبكه‌هاب كه معمولاً از چوب بوده و روي يكديگر قرار گرفته‌اند استفاده مي‌شود . اين شبكه ‌ها طوري نصب گرديده كه همراه هر شبكه با شبكه‌هاي اطراف خود زاويه 90 درجه مي‌سازند و به ابن شكل در سطوح شبكه‌ها پخش مي‌گردد.
b.RANDOM PACKING
اين نوع آكنه‌ها موادي با سطح زياد درست شده كه به طور نتامنظم در داخل برج قرار دارند . يكي از دلايل نامرغوب بودن اين نوع آكنه‌ها ايجاد مقاومت زياد در مقابل جريان هوا مي‌باشد .
اين نوع آكنه ها داراي قسمتهاي حلقوي است كه قطر هر حلقه با طول آن برابر است . اين حلقه ها از جنس هاي مختلفي بوده و سطح تماس آب با هوا را زياد مي‌كنند .
c.PLATETYPE FILM PACKING
اين نوع آكنه‌ها از صفحات نازك پلاستيكي چين‌دار ساخته شده‌اند كه با زاويه‌ كمي كمتر از 90 درجه با سطح افق نصب شده‌اند. چين‌هاي روي صفحات باعث بوجود آمدن سطح زياد مي‌گردند.
آكنه‌ها بايد طوري انتخاب شوند تا هم سطح تماس آب و هوا براي نسبتهاي بالاي انتقال حرارت و انتقال جرم مناسب باشند و هم مقاومت كمتري در مقابل جريان هوا داشته باشند . آكنه‌ها بايد محكم ، سبك و در برابر خوردگي و خراب شدن مقاوم باشد .
عوامل موثر در طراحي برجهاي خنك كننده
• ميزان افت درجه حرارت ( اختلاف دماي ورودي و خروجي برج )
• اختلاف بين درجه حرارت آب سرد و درجه حرارت مرطوب هوا
• دماي مرطوب محيط : اصولاً خنك كردن آب زير اين دما غير ممكن است
• شدت جريان آب
• شدت جريان هوا
• نوع آكنه‌هاي برج
به تجربه ثابت شده است كه براي هر 10 درجه فارنهايت افت دما در برج خنك كننده ميزان تبخير در حدود يك درصد كل آب در حال گردش مي‌باشد .
در گزينش صحيح دستگاه خنك كننده ميزان تبخير در حدود يك درصد كل آب در حال گردش مي‌باشد.
در گزينش صحيح دستگاه خنك كننده آب متناسب با مقتضيات يك پروژه معين بايد چند عامل اصلي را لحاظ كرد:

توان خنك كنندگي ، مسائل اقتصادي ، سرويسهاي مورد نياز و شرايط طبيعي و …
اين عوامل اغلب به هم وابستگي متقابل دارند اما هر يك بايستي جداگانه مورد بررسي قرار گيرند از آنجا كه ممكن است انواع زيادي از دستگاهها توانايي تامينه مقصود را داشته باشند عواملي همچون ابعاد دستگاه ، مساحت محل نصب حجم هواي جرياني ، ميزان مصرف انرژي فن و پمپ ، موارد بكار رفته در ساخت دستگاه ، سهولت يافتن دستگاه در بازار بر انتخاب نهايي تاثير گذار خواهد بود .
محل نصب
اگر بتوان برج خنك كن را در فضاي باز با جريان هواي آزاد قرار داد در حصول يك بازده مناسب از برج مشكلي وجود نخواهد داشت اما چنانچه قرار باشد برج در داخل ساختمان و محصور بين ديوارها نصب شود موارد زير بايستي مورد توجه قرار گيرد :
• بايد فضاي كافي و بدون مانع مزاحم در اطراف برج وجود داشته باشد تا هواي لازم به برج برسد.
• هواي گرم خروجي از برج بايد به گونه‌اي تخليه شود كه امكان بازگشت و گردش مجدد آن به برج وجود نداشته باشد زيرا گردش مجدد چنين هوايي در برج دماي مرطوب هواي ورودي به برج را افزايش مي‌دهد و باعث گرم ماندن آب در خروج از برج مي‌شود.
گردش مجدد هوا به داخل برج هنگامي مورد توجه قرار مي‌گيرد كه چند برج در مجاورت هم باشند.
تعيين محل نصب برج به عوامل ديگري هم بستگي دارد از قبيل استحكام محل نصب ، تجهيزات اضافي براي تقويت آن ، هزينه فراهم كردن تجهيزات اضافي براي برج و مسائل مربوط به معماري ساختمان و …

لوله كشي
سيستم لوله كشي برج خنك كن بايستي به گونه‌اي طراحي شود كه امكان انبساط و انقباض بين لوله ها فراهم باشد و چنانچه برج بيش از يك اتصال ورودي باشد بايد جهت متعادل كردن جريان آب به هر يك از سلولهاي برج شير متعادل كننده نصب شود و چنانچه لازم باشد يكي از سلولهاي برج جهت تعميرات از مدار خارج شود بايد داراي شير مسدود كننده جريان باشد .
اگر دو يا چند برج به صورت موازي نصب شده‌باشند بايد از يك لوله مشترك بين دو تشت برج جهت متعادل كردن آب داخل برج استفاده شود.
به منظور ممانعت از سرريز آب داخل برج هنگام توقف كار تمامي مبدلها بايستي پايين تر از سطح آب برج قرار داشته‌باشند.

كنترل ظرفيت
بيشتر برجهاي خنك كن در معرض تغييرات قابل توجه دماي مرطوب هوا و بار در طول فصل گرم مي‌ّاشند بدين لحاظ ممكن است جهت ابقاي شرايط تجويز شده براي كاركرد مطلوب برج بعضي از روشهاي كنترل ظرفيت به كار گرفته شود.
ساده‌ترين روش كنترل ظرفيت برجها تغيير سرعت فن مي‌باشد كه اغلب در برجهاي چند سلولي به كار مي‌رود با موتورهاي دور متغير مي‌توان اين كار را انجام داد . روش ديگر در كنترل ظرفيت استفاده از دمپر تنظيم كننده در دهانه خروجي فن سانتريفوژ مي‌باشد . روش ديگر باي پس كردن آب مي‌باشد .
آب جبراني

چون نمك‌هاي كلرور حلاليت زيادي دارند غلظت يون كلر در آب ورودي به برج و آب در حال گردش راهنماي بسيار خوبي براي تعيين غلظت بوده و بنابراين هميشه بايد آنرا بازديد و بررسي نمود.
افزايش غلظت مواد محلول و مواد معلق در آب در حال گردش در برج خنك كننده ايجاد اشكال مي‌نمايد كه براي جلوگيري از افزايش غلظت مواد محلول و مواد معلق مقداري از آب در حال گردش را تخليه مي‌كنند كه اين آب در صنعت به زير آب (Blow down) معروف است .
مقدار آب برج همچنين ممكن است تصادفي يا بوسيله باد تقليل يابد. اصولاً در برجهاي خنك كننده مقداري آب به صورت گرد در آمده و توسط باد يا كشش از برج خارج مي‌شود . مقدار تخليه لازم در برج براي كنترل مواد محلول و معلق مجاز را مي‌توان از رابطه زير بدست آورد :

كه در رابطه بالا :
• B مقدار زير آب بر حسب يا
• E مقدار آب تبخير شده بر حسب يا
• C ضريب غلظت پيشنهاد شده براي برج
• W مقدار آبي كه توسط باد خارج مي‌شود بر حسب يا
مقدار آبي كه بايد همراه خود از برج خارج سازد در رابطه بالا منفي است ، زيرا آب مواد محلول و معلق را نيز با خود مي‌برد. بنابراين تاثير در غلظت و بالا بردن املاح آب ندارد.
مقدار آب لازم جهت آب كسري برج از رابطه زير بدست مي‌آيد:
MAKE UP=E+B+W
معمولاً بطور تجربي 1 الي 2 درصد آب در گردش در برج‌هاي خنك كننده تبخير مي‌گردند.

احسان رضایی

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *