برج های خنک کننده نوع خاصی از مبدل های حرارتی هستند که در آن ها آب و هوا به منظور کاهش دمای آب سیستم تأسیسات یا صنعت، در تماس مستقیم قرار می گیرند. این تجهیزات از نظر نوع ساخت، شکل و جنس بدنه، روش انتقال حرارت، آرایش جریان آب و هوا و نوع مکش جریان هوا انواع مختلفی دارند و هر کدام از آن ها دارای ویژگی ها و محدودیت هایی هستند و کاربردهای متنوعی دارند. کاربرد برج های خنک کننده به صنایع مختلف، پالایشگاه ها و نیروگاه ها محدود نمی شود و در سیستم های تهویه مطبوع مجتمع های مسکونی و اداری نیز از برج های خنک کننده استفاده می گردد.
از آنجایی که انتخاب مناسب ترین نوع با شناخت کاربردها، مزایا و معایب انواع آن میسر خواهد بود، در ادامه به کاربردها، محدودیت ها، مزایا و معایب مهم ترین انواع برج خنک کننده بر اساس دو پارامتر اصلی دسته بندی (آرایش جریان آب و هوا و نوع مکش جریان هوا) پرداخته می شود.بطورکلی قیمت برج های خنک کننده بسته به کیفیت و مقدار متریال مورد استفاده در ساخت آن، نوع رزین مورد استفاده در بدنه، ظرفیت کولینگ تاور، مکعبی و یا مخروطی بودن برج‌ها و مونتاژ یا دمونتاژ بودن دستگاه مشخص میشود.
دسته بندی برج های خنک کننده بر اساس آرایش جریان آب و هوا.
الف) برج های خنک کننده جریان متقاطع (Cross Flow)
در برج خنک کننده با جریان متقاطع آب در اثر نیروی گرانش و توسط صفحه سوراخ دار یا نازل های برج به سمت پایین فرو ریخته می شود تا به صورت یکنواخت بین سطوح داخلی برج خنک کننده توزیع گردد. هوا نیز به طور همزمان و به صورت افقی وارد برج می گردد و توسط فن های نصب شده در خارج از برج به سمت بیرون جریان می یابد، در نتیجه آب و هوا به شکل متقاطع با یکدیگر برخورد داشته و پس از تبخیر بخشی از آب، انتقال حرارت از آب به هوا صورت می گیرد.
آب خنک شده نیز در تشتک برج انباشته می‌گردد و جهت استفاده به سمت سایر تجهیزات مورد نیاز تأسیساتی یا صنعتی توسط پمپ ارسال میشود.
| جدول 1- کاربرها و محدودیت های برج خنک کننده جریان متقاطع | |
| کاربردها | فشرده سازی هوا |
| صنایع گرمابر در پتروشیمی | |
| صنایع آلومینیوم | |
| محدودیت ها | عملکرد بهتر در مناطق با رطوبت نسبی بالا در فصول گرم (شمال و جنوب کشور) |
| تولید در ظرفیت های بالای 2 مگاوات و نامناسب بودن برای کاربردهای کوچکتر |
جدول 2- مزایا و معایب برج خنک کننده جریان متقاطع
| مزایا | معایب |
| توان مورد نیاز کمتر برای فن و هزینه پایین بهره برداری | انحراف مسیر آب در برج |
| نگهداری آسان | ورود مواد زائد به سطوح داخلی برج |
ب) برج های خنک کننده جریان مخالف یا ناهمسو (Counter Flow)
در برج خنک کننده با جریان مخالف جریان هوا در جهت مخالف و همزمان با ریزش آب به سمت پایین برج، از میان پکینگ‌های سطوح داخلی برج عبور می کند. جریان هوا از پایین برج وارد شده و به صورت عمودی در اثر مکش فن به سمت بالا کشیده می شود.
آب در گردش نیز از طریق نازل های پاشش بر روی سطوح داخلی برج توزیع می گردد و پس از تماس غیر هم جهت و بیشینه، انتقال حرارت صورت گرفته و آب خنک وارد بخش انتهایی یا تشتک برج میشود. نکته حائز اهمیت در این برج ها استفاده از نازل ها برای پاشش جریان آب است به گونه ای که فشار آب بتواند بر جریان هوای توسط فن غلبه کرده و به سمت پایین حرکت کند.
همچنین ارتفاع این برج ها باید به اندازه ای باشد که توزیع آب بر روی سطوح برج به خوبی صورت گرفته و آب فرصت خنک شدن داشته باشد. راندمان حرارتی برج های خنک کننده جریان مخالف در مکان هایی با رطوبت نسبی پایین، بالاتر از نوع جریان متقاطع است و بیشتر برج های خنک کننده مدار باز در تأسیسات و صنعت به صورت جریان مخالف طراحی و تولید می‌شوند.
جدول 3- کاربردها و محدودیت های برج خنک کننده جریان مخالف
| کاربردها |
| پالایشگاه ها و پتروشیمی ها |
| محدودیت ها |
| قابل استفاده در کلیه مناطق |
جدول 4- مزایا و معایب برج خنک کننده جریان مخالف
| مزایا | معایب |
| بیشترین تماس آب و هوا | تولید صدای زیاد به دلیل پاشش پرفشار آب |
| وزن کمتر در مقایسه با برج خنک کننده جریان متقاطع | نگهداری و تعمیرات سنگین |
| بیشترین نیروی محرکه برای انتقال جرم و حرارت و بیشترین بازده در مقایسه با سایر برج ها |
ج) دسته بندی برج های خنک کننده بر اساس نوع مکش جریان هوا
در برج خنک کننده با مکش طبیعی هوا در اثر اختلاف دما و به تبع آن اختلاف چگالی بین هوای گرم داخل برج و هوای خنک بیرون به صورت طبیعی از پایین به بالای برج جریان می یابد. آب نیز از بالای برج وارد شده و پس از پاشش درون برج از طریق نازل ها به صورت غیر هم جهت با هوا تماس پیدا می کند و در نتیجه تبخیر بخشی از آن خنک می گردد. برج خنک کننده مدار بسته برای نصب و راه اندازی به مساحت و ارتفاع زیادی نیاز ندارند و به همین دلیل در محیط هایی که فضای محدودی دارند نیز بیشتر قابل استفاده هستند.
به مرور زمان دمای هوای درون برج به دلیل تبادل حرارت با آب ورودی بالا رفته و اختلاف دما و چگالی هوای داخل و خارج برج افزایش می یابد و مکش طبیعی هوا همچنان با شدت بیشتری ادامه می یابد.برج های خنک کننده با مکش طبیعی مانند برج های خنک کننده مرتفع در نیروگاه‌ها از بتن ساخته شده اند و ابعاد بزرگی دارند و ساخت آن ها هزینه بر است.
جدول 5- کاربردها و محدودیت های برج خنک کننده با مکش طبیعی
| کاربردها |
| نیروگاه های برق و کاربردهای فرآیندی |
| کارخانجات نیازمند مقادیر زیاد آب خنک و صنایع حساس |
| محدودیت ها |
| قابل استفاده در کلیه مناطق |
جدول 6- مزایا و معایب برج خنک کننده با مکش طبیعی
| مزایا | معایب |
| مصرف انرژی پایین | هزینه بالای اولیه |
| هزینه پایین نگهداری و بهره برداری | عدم تطابق با شرایط اتمسفری و دارای عملکرد تأثیرپذیر از شرایط آب و هوایی |
| عملکرد ایمن و مطمئن | ابعاد بزرگتر در مقایسه با برج خنک کننده با مکش مکانیکی |
در برج های خنک کننده با مکش مکانیکی برخلاف برج های خنک کننده با جریان طبیعی، هوا به وسیله فن (فن هایی) جریان می یابد. وجود فن در این برج ها، امکان تغییر میزان دبی هوا را فراهم کرده است و از این طریق می توان پایداری بیشتری نسبت به شرایط جوی ایجاد نمود. برج های خنک کننده با مکش مکانیکی خود به دو گروه زیر تقسیم می شوند.
در برج خنک کننده با مکش اجباری فن در ناحیه ورود هوا در پایین برج قرار دارد و هوا را به سمت بالا می دمد. آب نیز از بالای برج وارد شده و در اثر تماس غیر هم جهت آب و هوا و تبخیر بخشی از آن، آب خنک می گردد.
محل قرارگیری فن در ناحیه ورود هوا می تواند موجب گردش هوای گرم و بازگشت آن به برج شود که این مسأله منجر به پایین تر بودن راندمان خنک کنندگی این برج ها در مقایسه با برج های خنک کننده با مکش القایی شده است. برج های خنک کننده با مکش اجباری اغلب از نوع برج های خنک کننده گالوانیزه هستند.
جدول 7-کاربردها و محدودیت های برج خنک کننده با مکش اجباری
| کاربردها |
| صنایع شیمیایی و انرژی |
| محدودیت ها |
| قابل استفاده در کلیه مناطق |
جدول 8- مزایا و معایب برج خنک کننده با مکش اجباری
| مزایا | معایب |
| بهره برداری و تعمیر آسان به دلیل دسترسی آسان به فن و الکتروموتور | ضعف در چرخش هوای گرم شده و ورود مجدد آن به برج به دلیل بالا بودن سرعت ورود هوا و پایین بودن سرعت خروج آن |
| هزینه ساخت پایین | نیاز به توان بالای فن و سر و صدای آن |
| پایداری نسبت به شرایط جوی | احتمال یخ زدگی فن در فصول سرد به دلیل قرار گرفتن در مسیر ورود هوا |
تفاوت این برج با برج خنک کننده با مکش اجباری در محل قرارگیری فن می باشد که در بالای برج نصب می گردد. در برج های خنک کننده با مکش القایی فن هایی در خروجی هوا قرار دارند که هوا را به درون برج می کشند و به سمت بیرون هدایت می کنند. بنابراین هوا توسط فن از ورودی های پایین به بالا کشیده می شود و آب نیز از بالا وارد شده و درون برج اسپری می گردد.
به دلیل محل قرارگیری فن خروج هوا با سرعت بالا و ورود هوا با سرعت پایین انجام می شود و این مسأله امکان گردش و بازگشت هوا را کاهش می دهد. همچنین موقعیت فن در ورودی جریان هوای گرم، محافظت خوبی در برابر یخ زدگی تجهیزات مکانیکی ایجاد می کند. برج خنک کننده با مکش القایی از راندمان بالایی برخوردار است که علت آن بیشتر بودن سطح تماس آب و هوا است.
ظرفیت این برج ها در حدود 3 تا 160000 مترمکعب در ساعت (15 تا 700000 گالن در دقیقه)است. برج خنک کننده با مکش القایی و جریان ناهمسو پرکاربردترین برج در صنایع فرآیندی است که قادر به تولید آب خنک با دمای 1 درجه سانتیگراد (2 درجه فارنهایت) بالاتر از دمای حباب تر محیط می باشد. قیمت برج خنک کننده چیلر ، همانند سایر دستگاه های صنعتی وابسته به پارامترها و شاخصه های متعددی می باشد. هدف از خرید برج خنک کننده، استفاده از آب خنک جهت استفاده در فرآیند تولید است.