فرادرسآشنایی با برج خنک کننده و انواع آن — از صفر تا صد
«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 در ادامه به آن‌ها می‌پردازیم.
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 می‌آيد. 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
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.
تصویری از یک برج خنککننده با مکش طبیعی را در زیر مشاهده می‌کنید.
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
- 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. 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
معایب
- تولید صدای زیاد
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.
مزایا
- بازده بالای انرژی
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
تعریف، اساس کارکرد و کاربردهای انواع برج خنککننده در این نوشته ارائه شد. در این زمینه می‌توانید با مراجعه به لینک‌های زیر بیشتر مطالعه کنید.
- آموزش مقدمه ای بر مهندسی زیست سوخت ها
- مجموعه آموزش‌های مهندسی مکانیک
- مجموعه آموزش‌های مهندسی شیمی
- نیروگاه‌های برق‌آبی چگونه کار می‌کنند؟
- ذخیره‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر چگونه ممکن است؟
شرکت تنام سپاهان با سابقه‌ای درخشان و بهره‌گیری از کادر مجرب، به صورت تخصصی در زمینه برج‌های خنک کننده (Cooling Tower) و قطعات وابسته فعالیت دارد. این شرکت در زمینه ساخت برج‌های خنک کننده و قطعات شامل پکینگ، قطره‌گیر، نازل و …. جزو برترین تولید کننده‌های داخلی است. جهت اطلاعات بیشتر در زمینه برج‌های خنک کننده و قطعات به آدرس http://www.tanamsepahan.com مراجعه فرمایید.
^^
بسیار عالی و کاربردی بود سپاسگذار