برج خنک کننده یا برج خنک کن یک مبدل حرارتی است که از آن برای دفع گرمای تولید شده به محیط استفاده میشود. دو کاربرد مهم این وسیله یکی در صنایع بزرگ برای خنک کاری صنایع پتروشیمی، پالایشگاهی، نیروگاهی، فولاد و کارخانجات تزریق پلاستیک بوده و کاربرد دیگر دفع حرارت سیستم های سرمایشی مربوط به مجتمع های مسکونی، تجاری و ورزشی میباشد. در سیستم های تهویه مطبوع از برج های خنک کننده برای از بین بردن گرمای ساختمان استفاده می شود. بخش زیادی از خنک کردن یک جریان آب با استفاده از تبخیر آب انجام میشود.
اندازه و طراحی برج های خنک کننده با توجه به بار برودتی ساختمان متفاوت است. بار برودتی با توجه به اندازه ساختمانی که باید از آن گرما دفع شود ، تعیین می شود. عامل دیگری که بر طراحی این محصول تأثیر می گذارد رطوبت نسبی هوا است. این با توجه به موقعیت جغرافیایی ساختمان تعیین می شود. به عنوان مثال ، رطوبت نسبی در شهر یزد بسیار کمتر از شهر بندر انزلی است.
انواع طبقه بندی برج های خنک کننده
برج های خنک کننده یا همان کولینگ تاور معمولاً بر اساس ساختار ، روش های انتقال حرارت و روش های جابجایی جریان هوا طبقه بندی می شوند که در ادامه مورد بررسی قرار می‌گیرد.
برج های خنک کننده خشک
در این مدل آب یا سیال گرم از طریق لوله ها به داخل برج خنک کننده وارد میشود. برای انتقال حرارت بهتر و افزایش سطح انتقال حرارت، قسمتی از لوله ها که در درون برج خنک کننده قرار دارد به صورت کویل مسی و به شکل پره دار ساخته میشود ساخته میشود. حرارت ابتدا از آب (سیال گرم) به لوله مسی هدایت شده و سپس از طریق لوله و پره ها به جریان هوا منتقل میشود. در این مکانیزم هیچ تماس مستقیمی بین آب (سیال گرم) و هوا صورت نمی‌گیرد و یک سیستم بسته است. وجود فن در بالا یا زیر برج خنک کن سرعت انتقال حرارت را بهبود می‌بخشد و معمولاً در این سیستم از یک فن به همراه الکتروموتور استفاده میشود.
در این سیستم هیچ آبی مصرف نمی‌شود و گزینه مناسبی برای مناطق کم آب میباشد. البته در فصل های گرم با توجه به افزایش شدید دمای هوا، انتظار اینکه با استفاده از این سیستم دمای آب به زیر برسد، خواسته‌ای غیرمنطقی است. استفاده از این سیستم برای دفع گرمای ایجاد شده در فصول سرد بسیار ایده‌آل است.
برج خنک کننده مرطوب
این برج ها از محبوب ترین برج های خنک کننده هستند زیرا مقرون به صرفه و تجدید پذیر هستند. علت نامگذاری آنها استفاده از آب در برج خنک کننده برای خنک کاری تجهیزات است. انتقال حرارت در این برج ها با کاهش دمای فرآیند و افزایش میزان رطوبت و دمای حباب خیس هوای عبوری از برج خنک کننده انجام میشود.
معمولاً برج های خنک کننده مرطوب بخار و قطرات آب را همراه هوا به بیرون هدایت می‌کنند. برای کاهش میزان تبخیر از تجهیزاتی مانند قطره‌گیر استفاده می‌شوذ که بخشی از آب تبخیر شده را به سیستم برمی‌گرداند. اگر نیاز به دریافت اطلاعات بیشتری درباره برج های خنک کننده دارید، می توانید به سایت دلتا کولینگ مراجعه نمایید.
برج خنک کننده مرطوب مدار باز
در این سیستم آب گرم از قسمت فوقانی وارد برج میشود. معمولا از طریق نازل ها بر روی سطوح تبادل حرارت (پکینگ ها) پاشش میشود. از سوی دیگر، هوا از پایین یا محفظه های اطراف وارد برج شده و توسط فن به سمت بالا هدایت میشود. در قسمت پکینگ آب با هوای ورودی تبادل حرارت کرده، بخشی از آن تبخیر شده و باقی مانده آن به سینی کف برج می‌ریزد. هوا نیز به همرا بخار و قطرات آب از بالای برج به بیرون رانده میشود. سطوح انتقال حرارت (پکینگ ها) به علت افزایش سطح و زمان تماس، نقش تعیین کننده ای در بهبود خنک کاری دارند.
در این روش آب و هوا به صورت مستقیم با هم در تماس هستند و به علت گرمای نهان بالای آب، با تبخیر مقدار زیادی از گرمای آب دفع میشود. استفاده از این نوع برج در آب و هوای خشک بسیار مناسب است و نقطه ضعف این مدل تبخیر و هدر رفتن زیاد آب است.
با افزایش تبخیر آب غلظت املاح موجود در آب زیاد میشود؛ بنابراین با روش هایی مثل استفاده از سختی گیر در محل ورودی آب گرم و استفاده از آب جبرانی باید جلوگیری رسوب گذاری املاح و آسیب دیدن سیستم را گرفت.
برج خنک کننده مرطوب مدار بسته
روش عملکرد این مدل شبیه به نوع مدار باز است با این تفاوت که (آب) سیال منتقل شده از کندانسور به طور مستقیم در معرض هوا نیست و این (آب) سیال در یک کویل مشابه برج خنک کننده خشک در سراسر برج گردش می کند. این کویل (آب) سیال منتقل شده از کندانسور را از هوای بیرون جدا می‌کند تا آلاینده‌ای وارد آن نشود. برای خنک کاری بهتر آب موجود در دستگاه از طریق نازل ها بر کویل ها پاشش میشود، بخشی از آن تبخیر شده و در کنار هوا به خنک کاری می‌پردازد. در مدل محصول مدار بسته، در فصول سرد غالباً آب خنک کاری را با گلیکول مخلوط می کنند تا به صورت مایع حفظ شود.
این مدل معمولاً در مواردی که سطح باید تمیز و عاری از آلودگی باشد مورد استفاده قرار می گیرد. مزیت این روش این است که جرم و پوسته در لوله ایجاد نمی‌شود و از این رو بهره وری بهتر و خرابی کمتری دارد.
برج های خنک کننده بر اساس نوع جابجایی هوا
انواع برج های خنک کننده بر اساس نوع جابجایی هوا ، به دو نوع جابجایی اجباری و طبیعی تقسیم میشود.
- جابجایی طبیعی : برج های خنک کننده با جابجایی طبیعی از ارتفاع و شکل برج خود استفاده می کنند تا هوا را به طور طبیعی با استفاده از قانون شناوری بالا ببرند. هوای قسمت پایینی برج گرم میشود و به علت سبکی به بالا حرکت می‌کند و هوای سرد سنگین تر جای آن را می‌گیرد. از این رو ، این برج ها برای جابجایی بهتر جریان هوا بلند هستند و برای افزایش شتاب حرکت هوای گرم به شکل یک هذلولی ساخته می‌شوند. آنها به طور جداگانه در خارج از تاسیسات اصلی قرار دارند تا جریان هوا را فراهم کنند. این برج ها برای صنایع بزرگ استفاده می‌شوند و در سیستم های تهویه مطبوع تقریباً کاربردی ندارند.
- جایجایی اجباری : برج های با جابجایی اجباری یا مکانیکی، فن یا فن هایی برای جابجایی و انتقال هوا دارند. از فن های پروانه‌ای یا گریز از مرکز برای گردش هوا در داخل برج استفاده می شود. از نظر ابعاد این ها بسیار کوچک تر از برج های جابجایی طبیعی هستند. کنترل ظرفیت در این نوع برج ها آسان است زیرا سرعت فن قابل کنترل است. برخلاف برج های جابجایی طبیعی ، این برج ها را می توان در هر نقطه از ساختمان قرار داد و هزینه اولیه بسیار پایین تری دارند.
مفهوم آب سر ریز کولینگ تاور
Cooling Blow down water
آب سر ریز Blow down در برج خنک کننده به میزان آبی گفته می شود که به منظور حفظ شرایط نرمال آب در گردش (سختی آب، ذرات معلق و …) در محدوده ای معین، از مخزن برج خنک کن تخلیه می گردد.
مفهوم ضریب تغلیظ در برج خنک کن
Cooling tower Cycle Of Concentration – COC
سیکل تغلیظ یا COC در کولینگ تاور به نسبت ذرات محلول در آب درون برج خنک کننده به ذرات محلول در آب ورودی یا همان آب میکاپ برج خنک کن گفته می شود. همانگونه که گفته شد ذرات معلق و محلول درون مدار برج خنک کن عمدتا به همراه بخار از کولینگ تاور خارج نمی شوند و بنابراین به مرور زمان غلظت آنها افزایش می یابد. به همین دلیل نیز از طریق آب زیر کش یا همان آب بلو داون و باید مقدار این ذرات را به حد استاندارد و مناسبی رساند.
میزان سیکل تغلیظ یا Cycle of concentration در برج خنک کن صنعتی و کولینگ تاور بستگی به شرایط آب و کاربری برج خنک کننده دارد ولی به صورت کلی عدد مناسب برای سیکل تغلیظ برج خنک کن بین 3 الی 7 می باشد.
ظرفیت برج خنک کن بر حسب تن تبرید یا کیلو وات
محاسبه ظرفیت کولینگ تاور
همانطور که در ابتدای این مقاله توضیح دادیم، فرمول محاسبه حجم آب تبخیری در برج خنک کن در گرمترین حالت تقریبا برابر E=0.0018*R*C است که R معادل رنج یا اختلاف دمای ورودی و خروجی برج خنک کننده و C برابر مقدار دبی آب در گردش بر حسب متر مکعب در ساعت است. از طرف دیگر حاصل ضرب دمای رنج در دبی آب در گردش، ظرفیت سرمایش کولینگ تاور بر حسب کیلو وات یا تن تبرید است.
اگر ظرفیت سرمایش یک کولینگ تاور را با Q نشان دهیم، مقدار ظرفیت خنک کاری Cooling tower بر حسب کیلو وات از فرمول زیر بدست می آید:
Q=R*C*4180/3600 kW
و ظرفیت برج خنک کننده بر حسب تن تبرید عبارت است از :
Q=(R*C*4180/3600)*0.285 rt
به این صورت برای حساب کردن و مشخص شدن مقدار آب تبخیر شده توسط برج خنک کن در بدترین وضعیت دمایی، می توانیم از روی ظرفیت برج خنک کن بر حسب کیلو وات مقدار تبخیر را به صورت تقریبی و با استفاده از فرمول زیر بدست بیاوریم. توجه کنید که در این فرمول ظرفیت کولینگ تاور بر حسب کیلو وات است. فرمول تبدیل کیلووات به تن تبرید سرمایش برابر 1kW=0.285rt است.
E=Q*0.0013 ~0.0015
یعنی جرم بخار آب تبخیر شده در برج خنک کن بر حسب کیلوگرم برابر است با ظرفیت سرمایش بر حسب کیلووات ضرب در 0.0013 یا 0.0015.
مثال : میزان تبخیر آب یک برج خنک کن به ظرفیت 500 تن تبرید را حساب کنید.
برای بدست آوردن مقدار آب میکاپ و تبخیر شده در بدترین شرایط دمایی (ظهر مرداد ماه) در مرحله اول ظرفیت پانصد تن تبرید کولینگ تاور را به کیلووات تبدیل می کنیم.
500rt/0.285=1750kW
با در نظر گرفتن این عدد و فرمول تبخیر خواهیم داشت مقدار تبخیر آب برابر است با
E=1750*0.0013=2.3 m^3/h
یعنی این برج خنک کننده در اوج گرمای تابستان به میزان 2300 لیتر آب یا 2.3 متر مکعب در ساعت تبخیر آب دارد. البته باید در نظر داشته باشید که این عدد مربوط به بدترین شرایط دمایی است و در واقعیت ساعت های کمی در طول سال هستند که برج خنک کننده به این مقدار مصرف آب داشته باشد. مثلا در پاییز، زمستان، بهار و حتی ساعت های صبحگاه و شبانگاه، مصرف آب بسیار کمتر از این عدد خواهد بود.
ظرفیت برج خنک کن (کولینگ تاور) : به میزان حرارتی که برج خنک کننده با عمل تبخیر از سیال خنک شونده جذب می کند، ظرفیت کولینگ تاور می گویند.
محاسبات چرخه غلظت در برج خنک‌کننده
یکی دیگر از پارامترهای تأثیرگذار در محاسبات برج خنک‌کننده COC میباشد. چرخه غلظت(Cycle of Concentration) یا به صورت مختصر COC، یکی از مهمترین فاکتورهای تعیین‌کننده در طراحی هر خنک‌کننده آب محسوب میشود. COC یا چرخه غلظت در واقع میزان رسانایی(Conductivity) در چرخه اصلی به رسانایی در چرخه آب جبرانی میباشد. به مظنور محاسبه میزان COC در برج خنک‌کننده مطابق فرمول زیر میتوان عمل نمود.
COC = Conductivity of Cooling Water / Conductivity of Makeup water
میزان COC یا چرخه غلظت کمیتی بدون بعد میباشد. مقدار COC در برج خنک‌کاری وابسته به شرایط آب ورودی و آب جبرانی بین عدد 3 تا 7 متغیر میباشد. در طراحی برج خنک‌کننده باید دقت نمود که مقدار COC حدالامکان بیشتر در نظر گرفته شود. چرا که افزایش میزان COC سبب کاهش میزان بلودان و دریفت قطرات آب میشود. چرخه غلظت یا COC یکی از مهمترین پارامترهای کلیدی در محاسبات برج خنک‌کننده مخصوصاً در بخش محاسبه بلودان محسوب میشود. بهترین و بهینه‌ترین عدد برای فاکتور COC در محاسبات معادل 5 در نظرگرفته میشود.
البته لازم به ذکراست استفاده از قطره گیر و سیستم بلودان هوشمند نیز تاثیر بسزایی در کاهش مصرف میزان بلودان و دریفت در کولینگ‌تاور دارد که استفاده استاندارد از باید از متریال مناسب و با کیفیت صورت پذیرد.
محاسبه آب جبرانی برج خنک‌کننده
یکی از مهمترین بخشهای طراحی و محاسبات برج خنک‌کننده برآورد میزان آب مصرفی کولینگ‌تاور در شرایط مختلف اقلیمی و فصلی میباشد. آب جبرانی(Make Up) در در واقع میزان مصرف آب کولینگ‌تاور در واحد زمان معین میباشد. در یک چرخه گردش سیال آب این سیال از سه روش متفاوت و مختلف از دست می‌رود. محاسبه آب جبرانی دربرگیرنده پارامترهای زیادی میباشد. آب جبرانی در یا مدارباز در واقع میزان آبی است که جهت ایجاد چرخه دائم و موازنه جرمی باید دائماً وارد کولینگ‌تاور گردد.
محاسبه آب جبرانی در برج خنک‌کننده تابع سه پارامتر اصلی میباشد. سه پارامتر تأثیرگذار بر محاسبه آب جبرانی عبارتند از تبخیر آب – بلودان و دریفت قطرات آب به بیرون کولینگ‌تاور. در واقع آب‌مصرفی(جبرانی) وابسته به عملکردهای متفاوت در کولینگ‌تاور در جهات مختف هزینه میشود. محاسبه آب جبرانی از این جهت حائز اهمیت میباشد که تأمین این آب در فصول گرم عملاً باید با دورنگری و در طراحی اولیه درنظرگرفته شود.آب جبرانی در برج خنک‌کننده توسط سه روش کلی محاسبه میشود.
- 1-روش محاسبه آب جبرانی به صورت تخمینی (1.5 تا 2 درصد آب در گردش)
- 2-محاسبه آب جبرانی برج خنک‌کننده با روش فرمولی
- 3-محاسبه آب جبرانی توسط نرم افزارهای آنلاین و مهندسی از جمله SPX Calculator و Water Waste
در واقع در این مقاله سعی براین شده بر هر سه روش اساسی در تعیین محاسبه آب جبرانی اشاره شود. البته در زیر فقط به روش کلی محاسبه آب جبرانی برج خنک‌کننده یعنی روش استفاده از فرمول های مهندسی اشاره مینماییم.
سه روش اساسی در تعیین محاسبه آب جبرانی
1-تبخیر آب در برج خنک‌کننده
اولین فاکتور هدررفت آب در برج خنک کننده در واقع تبخیر(Evaporate) میباشد. آب در اثر تماس با جریان هوای القا شده توسط دچار درصد کمی تبخیر شده و حرارت جذب شده برای تبخیر آب، سبب کاهش دمای آب می‌گردد.تبخیر بیشترین میزان آب جبرانی یا مصرفی را در خنک‌کنندهای تبخیری تشکیل می‌دهد.
تبخیر آب در برج خنک‌کننده در واقع مهمترین و بیشترین میزان تأثیر در محاسبات آب جبرانی در برج خنک‌کننده را دارد. میزان تبخیر آب وابسته به اختلاف دمای ورودی و خروجی و همچنین وابسته به شرایط اقلیمی محیط نصب کولینگ‌تاور متفاوت میباشد.
تعیین دقیق میزان تبخیر آب در کولینگ‌تاور تأثیر بسزایی در نتیجه محاسبات آب جبرانی در برج خنک‌کن خواهد داشت. در واقع مهمترین بخش محاسبات برج خنک‌کننده در تعیین دقیق میزان آب مصرفی تبخیر میباشد.انرژی لازم گرفته شده از آب سبب تبخیر در برج خنک‌کننده می‌گردد.همین موضوع شاهراه اصلی محاسبات آب جبرانی میباشد. به عبارتی ساده‌تر با استفاده از ضریب محسوس گرمای‌ویژه تبخیر در برج خنک‌کننده میزان این پارامتر در محاسبه آب جبرانی به راحتی تعیین می‌گردد.
2-بلودان برج خنک‌کننده
دومین فاکتور از هدررفت آب در کولینگ‌تاور زیرآب یا بلودان(bleed Off)و در اصلاح جریان تخلیه (Blow Down) می‌باشدکه یکی دیگر از فاکتورهای تأثیرگذار در محاسبات برج خنک‌کننده محسوب می‌گردد.میزان تخلیه یا زیرآب و در اصطلاح بلودان برج خنک‌کننده یک پارامتر عددی قابل تغییر میباشد.
محاسبات مربوط بلودان برج خنک‌کننده در واقع یکی از فاکتورهای اساسی در طراحی کولینگ‌تاور میباشد.منظور از بلودان برج خنک‌کننده(Blow Down)، تخلیه پیوسته یا متناوب درصدی از آب در کولینگ‌تاور به منظور جلوگیری از افزایش غلظت مواد معدنی حل نشده (TDS) و سایر ناخالاصی‌های موجود میباشد.
میزان دقیق بلودان برج خنک‌کننده در واقع براساس میزان کیفیت آب ورودی و آب در گردش و همچنین براساس دمای ورودی و خروجی و چرخه غلظت تعیین می‌گردد. اگر میزان بلودان از عدد استاندارد کمتر باشد غلظت مواد محلول در برج خنک‌کننده افزایش می‌یابد و این موضوع سبب افزایش رسوب و گرفتگی و در نتیجه کاهش راندمان خواهد شد.
اگر بلودان از حدمعین خود نیز افزایش یابد سبب افزایش مصرف بی‌رویه آب جبرانی در کولینگ‌تاور می‌گردد. بنابراین تنظیم میزان جریان بلودان در برج خنک‌کننده یکی از مهمترین فاکتورها در محاسبات آب جبرانی برج خنک‌کن محسوب میشود.
تنظیم و تعیین دقیق میزان بلودان کار ساده‌ای نیست بنابراین لطفاً به منظور تنظیم جریان زیرآب یا تخلیه در برج خنک‌کننده با کارشناسان مجرب شرکت مشورت نمایید . تظیم میزان جریان تخلیه یا بلودان در کولینگ تاور بر اساس دو روش کلی دسته بندی می شود . روش اول تنظیم جریان تخلیه (بلودان برج خنک کننده) روش Manual یا دستی می باشد . در این روش با استفاده از یک شیر دستی و توسط یک اپراتور در هر چند ساعت جریان تخلیه تنظیم می گردد . روش دوم نیز در بلودان برج خنک کننده روش Automatic می باشد که بهترین روش در تنظیم میزان بلودان برج خنک کننده می باشد.
نحوه تنظیم جریان بلودان برج خنک کننده:
1-بلودان دستی (Manual Blow Down): در اینگونه موارد از یک فلنچ تخلیه کوچک و یک شیر دستی جهت تنظیم میزان بلودان برج خنک‌کننده استفاده میشود. میزان تنظیم بلودان در واقع به غلظت موادمحلول در آب ورودی و اختلاف دمای آب ورودی و خروجی (Range) بستگی دارد.
2-بلودان اتوماتیک(Automatic Blow Down): عموماً به منظور کاهش میزان تخلیه و بلودان در برج خنک‌کننده از یک TDS متر هوشمند و یک شیربرقی استفاده میشود. TDS متر با افزایش میزان غلظت موادمحلول در آب از حدمجاز استاندارد، فرمان روشن (On) را به شیر برقی جهت تخلیه آب صادر مینماید. با تخلیه و بلودان آب غلیظ از قسمت تشتک برج خنک‌کننده غلظت مواد محلول در آب کاهش پیدا می‌کند و TDS متر پس از زمان معین فرمان خاموش (Off) را صادر مینماید.
3-دریفت یا پرتاب قطرات آب
دریفت (Drift)در برج خنک‌کننده در واقع کشیده‌شدن قطرات ریز آب خروجی از به وسیله جریان مکش هوای عبوری میباشد. میزان دریفت یا پرتاب قطرات آب به سمت پروانه تابعی از طراحی برج و سرعت هوای عبوری از کولینگ‌تاور میباشد .دریفت درواقع درصد بسیار کمی (2 درصد) از مصرف آب جبرانی برج خنک‌کننده را تشکیل می‌دهد.به منظور کاهش دریفت در برج خنک‌کننده از قطره‌گیر(Drift Elminator) جهت کاهش مصرف دریفت استفاده میشود.با استفاده از قطره گیر در برج خنک‌کننده میزان پرتاب قطرات آب به خارج کولینگ‌تاور تقریباً به 0.005 قطرات کاهش می‌یابد.