برج خنک کن معمولاً با تبخیر آب، حرارت ایجاد شده در یک واحد شیمیایی را دفع کرده و سیال سرویس را تا دمای حباب مرطوب هوا پایین می‌آورند؛ البته باید در نظر داشت در برخی از برج های خنک کن با چرخه بسته که به برج خنک کن خشک مشهور هستند، کاهش دمای سیال سرویس صرفاً تا دمایی نزدیک به دمای حباب خشک هوا امکان‌پذیر است. به عبارت ساده‌تر، برج خنک کننده فلزی است که از آن به جهت خنک‌سازی آبی در فرایندهای سردسازی سیستم‌های تهویه مطبوع، پالایشگاه‌ها، نیروگاه‌ها و غیره استفاده می‌گردد.
کاربرد برج خنک کننده
از برج خنک کننده در سیستم خنک‌کاری واحدهای پالایشگاهی، پتروشیمیایی و سایر واحدهای شیمیایی مشابه، نیروگاه‌های حرارتی و سیستم‌های اچ‌وی‌ای‌سی برای تهویه مطبوع ساختمان استفاده می‌شود.
دسته‌بندی برج های خنک کن بر اساس نوع تماس هوا با آب صورت می‌گیرد؛
متداول ترین گونه برج خنک کن بر اساس مکانیزم جابجایی طبیعی و جابجایی اجباری تقسیم‌بندی می‌شوند.
برج خنک کن از نظر ابعاد و اندازه
از نظر ابعاد و اندازه، برج خنک کن در مدل‌های کوچک پشت‌بامی برای ساختمان‌های مسکونی تا سازه‌هایی غول‌پیکر و هذلولی شکل که ارتفاع‌شان در حدود دویست متر و قطرشان در حدود یک‌صد متر می‌رسد، وجود دارند.
همچنین نوعی برج خنک کننده با شکل مستطیلی با ارتفاع تقریبی چهل متر و طول هشتاد متر نیز وجود دارد. در بیشتر موارد از برج خنک کن هذلولی شکل در نیروگاه‌های هسته‌ای استفاده می‌شود؛ هرچند که در برخی از واحدهای شیمیایی بزرگ و سایر واحدهای صنعتی نیز از آن‌ها استفاده می‌شود. در مقابل این برج‌های خنک‌کن عظیم‌الجثه که در صنایع خاصی به کار گرفته می‌شوند، اکثریت قریب به اتفاق برج‌های خنک‌کن تجهیزات کوچک هستند که در کنار واحدهای مختلف صنعتی یا مسکونی برای تهویه هوا به کار می‌رود.
طریقه کارکرد برج خنک کننده
برج خنک کننده سیستم توزیع و پخش آبگرم دارد که آب را به صورت یکنواخت روی شبکه مشبک نزدیک به هم می‌پاشد. این شبکه‌ها آکنه یا پرکننده نامیده می‌شود. آکنه‌ها آب سرازیر شده از بالای برج را با هوایی که از میان آن حرکت می‌کند کاملاً مخلوط کرده به طوری که آب به صورت یک قطره از یک آکنه به سطح آکنه دیگر توسط نیروی ثقل خود می‌ریزد.
هرچند در برج خنک کننده مدور مقداری انتقال حرارت محسوس از آب به هوا وجود دارد ولی تقریباً اثر خنک‌کنندگی تماماً از تبخیر قسمتی از آب اسپری شونده در برج حاصل می‌شود.
بخار حاصل از فرایند تبخیر در برج توسط جریان هوایی که یک دمنده ایجاد می‌کند از برج خنک کن خارج می‌شود. با توجه به این که دماو رطوبت هوای از برج افزایش می‌یابد بدیهی است که میزان تأثیر برج حنک کن تا حد زیادی به درجه حرارت مرطوب هوای ورودی بستگی دارد و با کاهش آن افزایش می‌یابد.
اجزاء مهم برج خنک کننده
فن برج خنک کننده
فن‌ها نقش مهمی در خنک سازی دارند و از نوع فن محوری یا سانتریفیوژ می‌باشند.
فن‌های مورد استفاده در برج‌های خنک‌کننده، از لحاظ فرم هندسی و نحوه تولید به صورت کلی به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند.
فن ضربی برج خنک‌کننده
این فن‌ها با قطر بین 0.5 تا 1.2 متر در حالت کلی از ورقه فولادی ساخته شده و توسط قالب پرس تولید می‌گردند. این نوع فن کولینگ تاور در صورتیکه از تولیدکنندگان معتبر خریداری شود از لحاظ قیمت و کیفیت در بازه مناسبی قرار دارد. باید در نظر داشت با توجه به جنس فن و روش تولید، این نوع فن در قطر بیش از ۱ متر دچار لرزش خواهد شد و به همین دلیل دارای محدودیت ابعاد است.
فن پروفیل ایر فویل کولینگ تاور
همانگونه که از نامشان پیداست این فن‌ها دارای پروفیل ایرفویل می‌باشند و در طول فن، فرم پروفیل و ابعاد هندسی آن ثابت است (به جز بخش انتهایی که در آن قسمتی از یال، بریده شده‌است). جنس این نوع فن برج خنک کن عمدتاً از پروفیل آلومینیوم است که با روش اکسترود و پولترود تولید می‌شود.
دلیل استفاده از آلومینیوم در پره فن برج خنک کن، استحکام مناسب نسبت به وزن کم، دمپ کردن ارتعاش و مقاومت بالا در مقابل خوردگی است. بازه ابعادی معمول فن آلومینیوم کولینگ تاور از قطر 0.8 متر تا ۳ متر می‌باشد. این فن‌ها دارای قیمت کمتری نسبت به فن‌های کامپوزیتی (نوع سوم فن محوری) هستند لیکن معایب خاص خود را نیز دارند.
فن پروفیل ایر فویل با فرم پروفیل متغیر (فن کامپوزیت برج خنک کن)
فن کامپوزیت فایبر گلاس گلاس کولینگ تاور که سابقه تولید آن از دو نوع قبلی کمتر است علاوه بر دارا بودن پروفیل ایرفویل، به دلیل چرخش پروفیل در شعاع فن و تغییر زاویه حمله، دبی یکنواخت تری نسبت به دو نوع قبلی دارد، و به همین دلیل سرعت خطی لبه این نوع فن تا ۶۰ متر بر ثانیه قابل قبول می‌باشد.
از مهم‌ترین مزایای فن فایبر گلاس پروفیل ایرفویل برج خنک‌کننده، می‌توان به مصرف انرژی و وزن کمتر آن نسبت به نمونه‌های دیگر، صدای تولیدی کمتر و میزان هوادهی بیشتر اشاره کرد.
پکینگ یا مدیا
حوضچه یا باسین
در قسمت زیرین برج خنک کن قرار دارد و آب خنک شده در آن جمع‌آوری شده و به سمت سیستم‌های سردسازی هدایت می‌شود.
قطره گیرها
تیغه‌های قطره گیر برای جلوگیری از پخش ذرات آب و ممانعت از خروج آن‌ها به محیط بیرون از برج خنک کن بکار می‌روند.
جنس ساختاری برج خنک کننده
برج خنک کن معمولاً به سه صورت فلزی، فایبر گلاسی و بتنی ساخته می‌شود.
- برج خنک کننده فایبر گلاس طرح مکعبی
- برج خنک کننده مارلی (ذوذنقه‌ای)
- برج خنک کننده مارلی (مکعبی)
- برج خنک کننده مدل سانتریفیوژ
- برج خنک کننده کانتر فلو فلزی
- برج خنک کننده گرد
برج خنک کن را با توجه به موارد زیر هم می‌توان دسته‌بندی کرد.
البته باید توجه داشت که یک برج خنک کن می‌تواند ترکیبی از هر کدام از دسته‌های زیر باشد و این دسته‌بندی صرفاً برای نشان دادن وضعیت عملکرد برج خنک کن‌ها در حالات زیر می‌باشد:
۱- نیروی محرک جریان هوا
برج خنک کن فن دار
برج خنک کن ها از لحاظ اینکه نیروی جریان دهنده هوا طبیعی یا مکانیکی باشد به دو دسته تقسیم می‌شوند:
برج خنک کن فن دار (مکانیکی)
در برج‌های فن دار یک یا چند فن وظیفه به جریان درآوردن هوا را در داخل برج خنک کن دارند.
در این نوع تا زمانی که فن روشن است جریان هوا بین محیط داخل برج و بیرون برقرار است همچنین نسبت به برج‌های بدون فن فضای کمتری را اشغال می‌کنند. اما مهم‌ترین عیب این نوع صدا و لرزشی است که فن یا فن‌ها ایجاد می‌کنند.
برج خنک کن بدون فن (طبیعی)
در برج‌های بدون فن جریان هوا به صورت طبیعی ما بین برج و محیط بیرون جابجا می‌شود.
از جمله مزایا این دسته می‌توان به مصرف کمتر انرژی الکتریکی، صدای کم، قطعات متحرک کمتر و عدم پاشیدن آب به فضای اطراف و از معایب آن می‌توان به راندمان پایین‌تر و هزینه بیشتر جهت ساخت آن، اشاره کرد.
۲- مکانیسم انتقال حرارت
برج خنک کننده از نظر شیوه‌های انتقال حرارتی به سه دسته تقسیم می‌شوند.
برج خنک کننده مرطوب
در برج خنک کن مرطوب (Wet-Cooling Tower) آب گرم از بالای برج با عبور از پکینگ‌ها و برخورد با جریان هوای تازه که از محیط بیرون توسط فن یا به صورت طبیعی وارد برج می‌شود ضمن تبادل حرارتی و خنک شدن در پایین برج ته‌نشین می‌شود.
مهم‌ترین عیب این سیستم پاشیدن ذرات آب به اطراف و همچنین تبخیر بیش از حد آب می‌باشد.
برج خنک کننده خشک
در مناطقی که بعلت عدم وجود آب کافی باید از اتلاف آب و تبخیر بیشتر جلوگیری نمود از برج خنک کن خشک HELLER (هِلِر) (Dry-Cooling Tower) استفاده می‌شود. در این دسته، آب گرم به جای عبور از پکینگ‌ها از لوله‌های پره دار که با هوای سرد در تماس می‌باشند عبور کرده و خنک می‌گردد.
از معایب این سیستم کاهش راندمان با افزایش دمای محیط اطراف می‌باشد.
برج خنک کننده خشک مرطوب
این نوع، ترکیبی از برج خنک کن خشک و مرطوب بوده و برای کاهش عوارض و معایب دو سیستم فوق بکار می‌رود. برج خنک کننده خشک مرطوب (Dry-Wet Cooling Tower) دارای دو مسیر هوا به صورت موازی و دو مسیر آب به صورت سری می‌باشند. آب گرم ابتدا وارد لوله‌های پره دار و سپس وارد پکینگ‌ها می‌شود و در طول این مسیر با هوای سرد تبادل حرارتی داشته و آب سرد در پایین برج جمع می‌گردد.
۳- نحوه برخورد جریان‌های آب و هوا
برج خنک کننده بر مبنای جهت برخورد جریان‌های آب گرم با هوای سرد به دو دسته تقسیم می‌شوند.
برج خنک کن با جریان هوای متقاطع
دراین حالت هوایی که از محیط بیرون وارد برج می‌شود به صورت متقاطع با جریان آب برخورد می‌کند.
برج خنک کن با جریان هوای متقاطع
برج خنک کن با جریان هوای مخالف
در این حالت جریان هوا به صورت مخالف با جریان آب برخورد می‌کند.
برج خنک کن با جریان هوای مخالف
اساس کار تمام برج خنک کن‌ها بر مبنای ایجاد سطح تماس بیشتر بین جریان آب گرم و هوای سرد و در نتیجه تبادل حرارتی بین این دو می‌باشد. عموماً در برج خنک کن‌ها آب گرم توسط لوله‌هایی به بالای برج منتقل شده و در آنجا یا به صورت طبیعی یا با آبفشانهایی به سمت پایین برج به جریان می‌افتد که در طول این مسیر با توجه به نوع برج به شیوه‌های مختلف با جریان هوای سرد برخورد می‌کند.
محل نصب برج خنک کننده
محل نصب برج خنک کن باید بگونه‌ای باشد که مانعی در اطراف آن برای ورود جریان هوای تازه به داخل برج وجود نداشته باشد همچنین در صورت استفاده از چندین برج در کنار هم باید تدبیری اندیشه شود که هوای گرم خروجی از برج‌ها مستقیماً وارد همدیگر نشده تا باعث کاهش راندمان و عدم کارایی برج شوند.
اگر بتوان برج خنک کننده کوره القایی را در فضای باز با جریان هوای آزاد قرار داد در حصول یک بازده مناسب از برج مشکلی وجود نخواهد داشت اما چنانچه قرار باشد برج در داخل ساختمان و محصور بین دیوارها نصب شود موارد زیر بایستی مورد توجه قرار گیرد:
- باید فضای کافی و بدون مانع مزاحم در اطراف برج وجود داشته باشد تا هوای لازم به برج برسد.
- هوای گرم خروجی از برج باید به گونه‌ای تخلیه شود که امکان بازگشت و گردش مجدد آن به برج وجود نداشته باشد زیرا گردش مجدد چنین هوایی در برج دمای مرطوب هوای ورودی به برج را افزایش می‌دهد و باعث گرم ماندن آب در خروج از برج می‌شود.
گردش مجدد هوا به داخل برج هنگامی مورد توجه قرار می‌گیرد که چند برج در مجاورت هم باشند.
تعیین محل نصب برج به عوامل دیگری هم بستگی دارد از قبیل استحکام محل نصب، تجهیزات اضافی برای تقویت آن، هزینه فراهم کردن تجهیزات اضافی برای برج و مسائل مربوط به معماری ساختمان و …