برج خنک کننده (کولینگ تاور )

برج خنک کننده یا کویلنگ تاور (Cooling tower) دستگاهی است که انرژی گرمایی یا همان حرارت را به محیط منتقل می کند. برج خنک کننده مبتنی بر فرآیند سرمایش تبخیری(Evaporative Cooling) است که به منظور تولید آب خنک مورد نیاز در صنایع مختلفی از جمله نیروگاه های تولید برق، پتروشیمی ها، تولید مواد غذایی کاربرد دارد. در صنعت تهویه مطبوع از کولینگ تاور برای تأمین آب خنک کاری لازم در چیلر آب خنک (چیلرهای تراکمی آبی) و چیلر جذبی استفاده می شود.

نحوه عملکرد کولینگ تاور (برج خنک کننده)

اساساً دفع حرارت از جریان آب داغ ورودی به برج خنک کننده، بواسطه تبخیر مقداری از جریان آب صورت می گیرد. به نحوی که پس از تماس ایجاد شده میان آب و جریان طبیعی یا اجباری هوا درون برج، بخشی از آب در گردش، تبخیر شده و به این ترتیب دمای آب باقی مانده کاهش می یابد. به عبارت ساده تر، گرمای آب داغ ورودی از طریق فرایند تبخیر به جریان هوای عبوری منتقل شده و این چنین ضمن پایین آمدن دمای آب، گرمای نهان هوا و در واقع دمای مرطوب آن به شدت افزایش می یابد.

بنابراین، میزان توانایی کولینگ تاور در کاهش دمای آب، بستگی به مقدار رطوبتی دارد که هوای ورودی به برج می تواند جذب کند. چنانکه کاهش دمای آب در برج خنک کننده تا نزدیک به 3 درجه سانتی گراد بیشتر از دمای مرطوب هوای محیط، امکان پذیر خواهد بود.

به همین علت، عملکرد سیستم هایی مانند کولینگ تاور و کولر آبی که بر مبنای فرآیند سرمایش تبخیری کار می کنند، در محیطی با هوای مرطوب و شرجی، نمی تواند کارایی مناسبی داشته باشد.

اجزا و قطعات اصلی برج خنک کننده (کولینگ تاور)

انواع برج خنک کننده (کولینگ تاور)

برج خنک کننده در بازار تهویه مطبوه و برودت صنعتی بر اساس سه فاکتور اصلی دسته بندی می شود:

• نوع مدار طراحی
• جنس بدنه
• شکل ظاهری

شکل زیر دسته بندی انواع کولینگ تاور بر اساس این سه عامل را به خوبی نشان داده است.

در مجموع، برج های خنک کننده را از لحاظ مدار طراحی می توان در دو دسته مجزا بررسی نمود:

• برج خنک کننده (کولینگ تاور) مدار باز
• برج خنک کننده (کولینگ تاور) مدار بسته

کولینگ تاور (برج خنک کننده) مدار باز

در کولینگ تاور مدار باز، جریان آبی که بایستی خنک شود در تماس مستقیم با هوا قرار می گیرد. به نحوی که جریان آب به قسمت بالای برج هدایت گشته و از طریق نازل های آب پاش بر روی پکینگ ها توزیع می شود. آب به صورت لایه های بسیار نازک روی سطوح پکینگ پخش شده و در نتیجه سطح تماس بسیار بزرگی با جریان هوای عبوری ایجاد می گردد. هوا از دو طریق آب را خنک می کند.

بخشی از گرمای آب به واسطه انتقال حرارت (در صورت کمتر بودن دمای خشک هوا نسبت به دمای آب ورودی) دفع می شود، اما بخش اصلی خنک کاری آب ناشی از فرآیند تبخیر می باشد. نهایتاً هوای اشباع شده، از بالای برج در اتمسفر تخلیه می گردد و از طرف دیگر آب سرد انباشته شده در تشتک نیز از پایین برج خارج می شود.

قطره گیرهایی در بالای نازل های آب پاش تعبیه می شوند تا از عدم خروج قطرات آب به بیرون از برج خنک کننده، اطمینان حاصل شود.

به لحاظ چگونگی ایجاد جریان هوا، دو نوع کولینگ تاور یا برج خنک کننده مدار باز تعریف می شوند:

برج خنک کننده با جابجایی اجباری هوا: جریان هوا توسط عاملی خارجی، به شیوه جابجایی اجباری (Forced convection) در برج خنک کننده به وجود می آید. چنانکه به کمک فن های محوری یا سانتریفیوژ تعبیه شده، هوا درون برج خنک کننده به جریان می افتد.

برج خنک کننده با جابجایی طبیعی هوا: جریان هوا از طریق فرایند جابجایی طبیعی (Natural convection) و به واسطه ارتفاع زیاد برج خنک کننده، بدون وجود هیچ گونه نیروی خارجی ایجاد می شود. به مانند بسیاری از برج های نیروگاهی که از چنین روشی در ساخت آن ها استفاده می گردد.

برج های خنک کننده مدار باز، با هر نوع جابجایی هوا، به دو شکل طراحی می شوند:

جریان مخالف (Counter flow): در این نوع برج های مدار باز، امتداد جریان ذرات آب و هوای عبوری یکسان، اما جهت آن ها مخالف یکدیگر است. 

جریان متقاطع (Cross flow): در این نوع برج های مدار باز، امتداد جریان ذرات آب و هوای عبوری عمود بر یکدیگر می باشند.

کولینگ تاور (برج خنک کننده) مدار بسته

در کولینگ تاورهای مدار بسته، بین جریان آبی که بایستی خنک شود و جریان هوای عبوری، هیچ گونه تماس مستقیمی وجود ندارد. چنانکه مبدل حرارتی دیگری (کویل) داخل برج تعبیه شده که جریان آب مورد نظر از درون آن عبور می کند. جریان آب دیگری از تشتک به قسمت بالای برج هدایت گشته و از طریق نازل های آب پاش بر روی لوله های کویل توزیع می شود.

به این ترتیب، مقداری از ذرات اتمیزه شده آب، در اثر برخورد با سطح داغ لوله ها، تبخیر شده  و باعث کاهش دمای آب درون لوله ها می گردد. جریان هوای عبوری از روی کویل نیز شرایط را برای تبخیر بهتر ذرات آب فراهم می کند. به طوری که باعث می شود، هوای اشباع شده از برج خارج و هوای خشک و تازه جایگزین آن شود. البته کمتر بودن دمای خشک هوا در مقایسه با دمای سطح لوله ها، به خنک کردن آب درون لوله ها نیز کمک می کند.

انواع برج خنک کننده از لحاظ جنس بدنه

دسته بندیِ دیگری برای انواع برج خنک کننده وجود دارد که بر مبنای جنس بدنۀ آنها تعریف می شود. به این ترتیب که برج های خنک کننده یا فلزی هستند یا فایبر گلاس. در بازار تهویه مطبوع و سرمایش صنعتی، فولاد ضد زنگ و فایبرگلاس محبوب ترین مواد مورد استفاده برای ساخت برج های خنک کننده هستند. هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند، اما کدام یک برای دستگاه شما مناسب است؟ در ادامه به بررسی این موضوع خواهیم پرداخت.

انواع فن در کویلنگ تاور

برخی از متخصصین حوزه تهویه، برج های خنک کننده را بر اساس نوع فن بکار رته در آن ها نیز دسته بندی می کنند که البته چندان در بازار مرسوم نیست. به این ترتیب که برج های خنک کننده یا از فن های محوری استفاده می کنند یا از فن های سانتریفیوژ که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند، اما کدام یک می تواند عملکرد بهتری داشته باشد؟ در این بخش ما به بررسی ویژگی های هر نوع فن در ساختار برج خنک کننده خواهیم پرداخت.

فن محوری:

فن محوری نوعی فن است که باعث می‌شود گاز در جهت محوری و به موازات محوری که پره ها به دور آن می‌چرخند، جریان یابد. جریان در ورود و خروج، محوری است. فن به گونه ای طراحی شده است که اختلاف فشار و در نتیجه نیرو ایجاد کند تا جریان از طریق فن شکل بگیرد. عواملی که عملکرد فن را تعیین می کنند عبارتند از تعداد و شکل پره ها.

فن های محوری کاربردهای زیادی از جمله در تونل های باد و برج های خنک کننده دارند. پارامترهای طراحی شامل توان، سرعت جریان، افزایش فشار و راندمان است. فن های محوری معمولاً دارای پره های کمتری (دو تا شش) نسبت به فن های سانتریفیوژ هستند و غالباً شعاع بزرگتر و سرعت کمتری (ω) نسبت به فن های کانالی دارند.

فن سانتریفیوژ:

فن سانتریفیوژ وسیله ای مکانیکی برای حرکت هوا یا سایر گازها در جهتی با زاویه نسبت به سیال ورودی است. فن های سانتریفیوژ اغلب شامل یک محفظه برای هدایت هوای خروجی در یک جهت خاص هستند. فن سانترفیوژ، فن دمنده یا فن قفس سنجابی نیز نامیده می شود (زیرا شبیه چرخ همستر است).

این فن ها هوا را از ورودی چرخشی فن به یک خروجی منتقل می کنند. آنها معمولاً در کاربردهای کانالی برای عبور هوا در طول کانال و یا عبور از روی مبدل حرارتی استفاده می شوند. به همین علت یکی از کاربردهای اصلی آنها استفاده در دستگاه های هوارسان می باشد.

تفاوت کولینگ تاور با کندانسور؟

یکی از سؤالات رایج مشتریان این است که کولینگ تاورها یا برج خنک کننده مداربسته، عملکردی مشابه کندانسورهای تبخیری دارند، تفاوت اصلی آن ها کجاست؟!

اگرچه کولینگ تاورهای مدار بسته مانند کندانسورهای تبخیری از فرایند سرمایش تبخیری برای دفع حرارت استقاده می کنند، اما هیچ یک از کولینگ تاورهای مدار بسته، عمل چگالش گاز مبرد یا بخار آب را انجام نمی دهند؛ بلکه صرفاً دمای آب مایع را کاهش می دهند. بنابراین هدف از بکارگیری این دو دستگاه اساساً با یکدیگر متفاوت می باشد.

با توجه به تمیزی و خلوص بیشتر مبرد در مقایسه با آب، قطر لوله های کویل در کندانسورهای تبخیری که به منظور چگالش گاز مبرد استفاده می شوند، کمتر از کولینگ تاورهای مدار بسته می باشد.