برج خنک کننده یا برج خنک کن یا کولینگ تاور(cooling tower) دستگاه خنک کننده آب در صنعت برودتی و تهویه مطبوع به شمار می آید. برج خنک کن در یک بیان ساده و مختصر نوعی منبع برودتی یا سرمایشی خنک کننده می باشد که جهت دفع انرژی گرمایی کندانسور به بیرون طراحی می شود. به جرئت می توان بیان کرد برج خنک کننده یکی از مهمترین منابع دریافت گرما (ایجاد برودت) میباشد که به نوعی مکمل منابع تولید گرما در صنعت همچون بویلر و کوره القایی می باشد.
کاربرد برج خنک کننده در تهویه مطبوع مرکزی ساختمان ها و ادارات
برج خنک کننده در سیستم های تهویه مطبوع به عنوان خنک کننده چیلر در انواع چیلرهای جذبی و تراکمی مورد کاربرد قرار می گیرد و آب خنک مورد نیاز بخش کندانسور چیلرهای جذبی و تراکمی را فراهم می آورد. در این نوع کاربری از کولینگ تاور، به این تجهیز برج خنک کننده چیلر گفته می شود و در بیشتر ساختمان ها ، بانک ها ، ادارات و ساختمان هایی با سیستم حرارت و برودت مرکزی که دارای چیلر آبی هستند برج خنک کننده در بام این برج ها قابل روئیت می باشد. انتخاب صحیح برج خنک کننده جهت خنک کاری چیلر مستلزم داشتن آگاهی کافی در این زمینه بوده و دانش فنی مورد نیاز در علوم سیالات می تواند کمک بسزایی نیز در عملکرد صحیح این دستگاه بنماید. همانطور که واضح است راندمان چیلر وابستگی بسیار زیادی به دمای آب خنک کولینگ تاور دارد و از این رو توصیه می شود کلیه اصول طراحی و انتخاب برج خنک کننده را قبل از نصب و خرید در نظر بگیرید.
کاربرد برج خنک کننده در صنایع مختلف
برج خنک کننده در صنایع مختلف کشور همچون پتروشیمی، صنایع فولاد ، صنایع چوب ، صنایع رنگ و رزین ، صنایع غذایی و تزریق پلاستیک به عنوان واحد مرکزی تولید آب سرد مبدل های حرارتی ایفای نقش می نماید. برج خنک کننده در کاربری صنعتی خود تحت عنوان یک منبع سرمایشی گاه می تواند در صنایع ذوب فلزات دمای یک کوره القایی را بعد از فرآیند ذوب کاهش دهد و گاه نیز میتواند قطعات تزریق شده توسط دستگاه های تزریق پلاستیک را توسط آب سرد ، خنک نماید. برج خنک کننده صنعتی در زمان های گذشته به صورت بتنی و فلزی تولید و عرضه می شد و امروزه به دلیل معایب فراوان سازه بتنی (وزن زیاد، ابعاد زیاد، رشد جلبک و رسوب ، راندمان پایین) تولید و طراحی برج خنک کننده بتنی منسوخ گردیده است.
چرا برج خنک کننده فایبرگلاس؟
در صنایع بزرگ امروز با پیشرفت دانش کامپوزیت از متریال فایبرگلاس FRP و GRP در تولید بدنه انواع برج خنک کننده صنعتی استفاده می شود. فایبرگلاس به دلیل سبک بودن ، قابلیت تولید در کمترین زمان و مقاومت بالا در برابر رسوب و خوردگی و آفتاب سوختگی بهترین متریال ممکن در تولید برج خنک کننده با توجه به دانش فعلی محسوب می شود. ساختار فایبرگلاس بدنه برج خنک کننده با توجه به استفاده از الیاف و فیبر شیشه توانایی بسیار زیادی در دمپ و کاهش سطح ارتعاشات و صدای تولیدی کولینگ تاور دارد که این موضوع در کاربری این دستگاه در مناطق مسکونی و برج های بزرگ تحت عنوان خنک کننده چیلر کاربرد فراوانی دارد. امروزه در بسیاری از شرکت های معتبر تولید قطعات فایبرگلاس این قطعه ها توسط ماشین آلات صنعتی و با بالاترین کیفیت ممکن و کمترین میزان خطا تولید می گردد.
دماگستر اولین واحد ملی تولیدکننده برج خنک کننده با نشان استاندارد ملی
دماگستر به عنوان اولین واحد تولید و عرضه برج خنک کننده یا کولینگ تاور با کسب نشان استاندارد ملی موفق به تولید این محصول در کشور عزیزمان ایران گردیده است و که به صورت جدی در سراسر ایران نیز فعالیت می نماید. گرید متریال به کار رفته در قسمت ها و بخش های مختلف برج خنک کننده از بهترین متریال روز و با کیفیت ترین قطعات موجود تعبیه گردیده است. استفاده از بدنه فایبرگلاس با الیاف نانو و ترکیبی (حصیری و سوزنی) در تولید برج خنک کننده در این شرکت سبب شده است که بدنه دستگاه در برابر تابش اشعه یووی، رسوب، خوردگی در مقابل جریان آب مقاومت بسیار عالی داشته باشد.
همچنین استفاده از رزین های مرغوب (رزین های رسته ایزوفتالیک غیراشباع) در تولید بافت فایبرگلاس بدنه برج خنک کننده شرکت دماگستر سبب شده است که کولینگ تاور فایبرگلاس تولید شده این شرکت دارای 20 سال گارانتی پوسیدگی، خوردگی و آفتاب سوختگی داشته باشد.
دماگستر امروزه با تکیه بر دانش فنی و با شعار حمایت از تولید ملی با کیفیت جهانی سعی بر این دارد تا با ایجاد تحول و انقلاب در این صنعت گام بزرگی را در شکوفایی صنعت تهویه مطبوع ایران بردارد.
عملکرد برج خنک کننده
کارکرد برج خنک کننده در واقع تحت تأثیر از فاکتورهایی همچون میزان سطح تبادل حرارت (Cross Sectional Area) و میزان حجم هوادهی(Air Flow) می باشد. در اصول ترمودینامیک وقتی تماس بین دو سیال برقرار میشود گرما از سیالی که دمای کمتری دارد (هوا) به سیالی که دمای بیشتری دارد ( آب) هدایت میگردد و این موضوع سبب خنک تر شدن سیال اول یعنی آب می شود. بنابراین جهت انتقال حرارت در برج خنک کننده از آب به هوا می باشد. نوع موازنه جرمی حاکم (Mass Balance) در سیستم گردش سیالات در کولینگ تاور سبب تقسیم بندی برج خنک کن به انواع مختلفی می شود.
انواع سامانه جرمی در برج خنک کننده
اگر سامانه موازنه جرمی بین سیالات مختلف از نوع سامانه باز (Open System) باشد برج خنک کننده از نوع مدار باز (Open Circuit Cooling Tower) می باشد و اگر سامانه جرمی بین سیالات آب و هوا از نوع سامانه بسته یا ایزوله (Isolate System) باشد، این تجهیز برج خنک کننده مدار بسته(Close Circuit Cooling Tower) نام گذاری می شود. البته در برخی نمونه ها نیز سامانه گردش سیالات در خنک کن های صنعتی، ترکیبی از یک سامانه باز و یک سامانه بسته می باشد که در این صورت به این مدل، برج خنک کننده ترکیبی نیز گفته می شود.
برج خنک کننده مرطوب:
عموماً عملکرد برج خنک کننده مرطوب با یک سامانه باز بدین شکل است که آب ورودی گرم (Inlet Hot Water) وارد یک سری اسپری نازل ثابت و یا آب پخش کن چرخشی(Sprinkler) می گردد. آب گرم خروجی از نازل یا آب پخش کن بر روی سطوح خنک کننده (Packing Media) پاشش می کند. جریان آب پس از جریان یافتن بر روی سطوح تبادل حرارت پکینگ در تماس با جریان القایی هوایی قرار می گیرد و طی این فرآیند در اثر برخورد قطرات آب و جریان هوای القایی ، آب با درصد کمی تبخیر خنک تر می شود و گرمای دفع شده از آب به صورت بخارات(رطوبت) وارد هوای خشک ورودی می شود و پس از این فرآیند، هوای اشباع شده (Saturated Air) از برج خنک کننده خارج می شود.
آب سرد خروجی برج خنک کننده(Outlet Cold Water) نیز پس از گذر از سطوح خنک کن در قسمت تشتک یا Basin تجمیع می گردد و توسط پمپ سیرکولاتور به منظور خنک کردن به تجهیزات گرمازا هدایت می گردد. این چرخه به صورت دائم تکرار می شود و درنتیجه آن آب گرم خروجی منابع حرارتی به صورت مجدد وارد چرخه صنعتی می گردد. در واقع به صورت خلاصه این طور می شود بیان کرد که عملکرد یک برج خنک کننده مرطوب بر پایه ایجاد رطوبت در هوا، تبخیر آب و در نتیجه خنک تر شدن آب با درصدی پرت می باشد.
برج خنک کننده خشک:
عموماً عملکرد برج خنک کننده خشک با یک سامانه بسته بدین شکل است که آب گرم ورودی با ورود به بخش کویل فین دار(فین پره هایی در سطح خارجی کویل جهت افزایش سطح تبادل حرارت می باشد) در قسمت داخلی در تماس با یک سطح ویژه معین لوله های فلزی(عموماً مس و استیل) قرار می گیرد. در سوی دیگر کویل در برج خنک کننده، هوای مکش شده توسط فن یا پروانه با جریان القایی قرار دارد.
گرمای هدایت شده از آب گرم ورودی در این نوع خنک کن مدار بسته ابتدا به سطح خارجی کویل نفوذ می کند و سپس بعد از فرآیند نفوذ حرارتی (Conductivity) بین آب و سطح خارجی کویل، هوا در تماس با کویل قرارگرفته و در این قسمت از برج خنک کننده شاهد یک هدایت حرارتی(Conduction) بین سطح خارجی کویل و جریان هوا می باشیم. بعد از هدایت گرما از سطح خارجی کویل برودتی به هوای محیط بیرون در این نوع برج خنک کننده، آب بدون هیچ گونه تبخیر و هدررفتی خنک خواهد شد. عملکرد این مدل سردکن مدار بسته بسیار مشابه با کندانسور هوایی یا هوا خنک می باشد.
برج خنک کننده هیبریدی:
آخرین نسل از انواع کولینگ تاور که ترکیبی از یک سیکل باز آدیاباتیک (آنتروپی ثابت) و یک سیکل بسته می باشد و تحت عنوان برج خنک کننده هیبریدی نامیده می شود و عملکرد این گونه از سردکن های صنعتی بسیار شبیه به کندانسورهای تبخیری (Evaporative Condenser) می باشد. برج خنک کننده هیبریدی در واقع به صورت فصلی عملکرد دارد. در فصول سرد و خنک طی یک فرآیند کاملاً خشک در تماس با هوا، از آب درون کویل گرما استخراج میکند و این درحالی است که در فصول گرم توسط یک چرخه آدیاباتیک از پاشش آب بر روی کویل در یک سیکل مدارباز از جریان آب داخل کویل برودتی گرما دریافت می نماید.
طراحی برج خنک کننده
برج خنک کننده (Cooling Tower) براساس روش ایجاد جریان هوا به دو دسته جریان طبیعی و جریان اجباری تقسیم می شود . در صورتی که جریان هوا در برج خنک کننده به وسیله کنوکسیون طبیعی (Natural Convection) انجام شود، به آن برج خنک کن جریان طبیعی یا برج خنک کننده اتمسفریک گفته می شود و چنانچه هوا به وسیله یک فن یا دمنده در داخل کولینگ تاور جریان پیدا کند به آن برج خنک کننده جریان اجباری (برج خنک کننده جریان القایی) نیز گفته می شود . برج خنک کن جریان القایی وابسته به اینکه فن یا پروانه کولینگ تاور ، هوا را از قسمت داخل دستگاه مکش نماید یا هوا را ازبیرون به داخل دمش نماید به دو دسته کلی برج خنک کننده مکش القایی و برج خنک کننده دمش القایی نیز تقسیم می شود.
1.برج خنک کننده اتمسفریک
برج خنک کننده اتمسفریک (Atmospheric Cooling Tower) در واقع تعریف ساده تری از یک دستگاه کولینگ تاور با جریان طبیعی هوا با فشار اتسمفر می باشد . در درون مکانیزم یک برج خنک کننده اتمسفریک از نوع افشانکی ، آب گرم خروجی از کندانسور به وسیله یک دستگاه پمپ به قسمت فوقانی برج خنک کن منتقل شده و از آنجا به وسیله افشانک هایی به داخل کولینگ تاور پاشیده می شود . با توجه به اینکه میزان تماس آب عمدتا به میزان پودر شدن آن در خروجی افشانک برج خنک کننده بستگی دارد ، برای حصول راندمان بالا وجود پاشش خوب و عملکرد بهینه در افشانک (نازل) لازم می باشد .
نوع پاشش آب به طرح افشانک برج خنک کننده بستگی دارد و در طراحی بیشتر آن ها افت فشار 50 الی 75 کیلو پاسکال در نظر گرفته می شود . در برخی از انواع برج خنک کننده اتمسفریک ، برای افزایش سطح موثر تماس آب و برای تبدیل آب به قطرات ریز تر و کاهش سرعت سقوط آب در برخورد به تشتک برج ، از قطعات مختلف نظیر پکینگ ، گرید و قطعات چوبی نیز در داخل سازکار برج خنک کننده اتمسفریک استفاده می شود . این نوع از برج خنک کننده اتمسفریک تحت عنوان Splash Deck نامیده می شود و همچنین اغلب بدون افشانک آّب هستند و قطرات آب در برج خنک کننده اتمسفریک در اثر برخورد با قطعات چوبی به قطرات ریزتر تبدیل می شوند .
مقدار و سرعت هوای عبوری از یک برج خنک کننده اتمسفریک ، به سرعت باد بستگی دارد بنابراین ظرفیت برج خنک کننده اتمسفریک به دلیل تغییر جریان طبیعی هوا و با تغییر سرعت باد تغییر می نماید. برج خنک کننده اتمسفریک ، همواره در فضای آزاد قرار می گیرند بطوری که هوا بتواند آزادانه در آن ها جریان داشته باشد . و در واقع بهترین مکان برای نصب برج خنک کننده اتمسفریک در ارتفاع و در نقاطی با سرعت وزش باد بالا می باشد. (پشت بام)
2.برج خنک کننده جریان القایی
با توجه به اینکه جریان هوا در برج های خنک کننده با جریان اجباری به وسیله فن دمنده یا مکنده انجام می شود ، می توان انواع کوچک آن ها را در داخل فضا قرار داد مشروط بر اینکه هوا به میزان کافی بین داخل و خارج محیط نصب کولینگ تاور مبادله شود . به لحاظ اینکه در برج های خنک کننده اجباری می توان از مقدار هوای بیشتر و سرعت زیادتر فن استفاده نمود ، ظرفیت آنها به ازای ابعاد فیزیکی برابر، از برجهای با جریان طبیعی هوا به مقدار قابل ملاحظه ای بیشتر خواهد بود. بعلاوه در بیشتر برج های جریان اجباری برای بهبود بیشتر راندمان از قطعاتی که سطح خیس شده را افزایش می دهند استفاده می کنند. در این نوع برج ها برای جلوگیری از تلفات آب در اثر خروج ذرات ریز آب به وسیله جریان هوا ، از قطره گیر نیز استفاده می نمایند.
برج خنک کننده جریان القایی با توجه نوع انتقال جریان هوا توسط فن یا پروانه به دو دسته کلی جریان القایی مکنده و جریان القایی دمنده تقسیم بندی می شود. امروزه سیستم برج های خنک کننده بیشتر به صورت مکنده القایی طراحی می گردد و فن یا پروانه در قسمت بالا هوا را در خلاف جریان ریزش آب به سمت بالا مکش می نماید.
