برج خنک کننده مرطوب چیست؟

با برج خنک کننده و اجزای آن بیشتر آشنا شوید

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، طراحی و قیمت این محصول در زمان خرید برج 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 معمولاً بر اساس ساختار ، روش های انتقال حرارت و روش های جابجایی جریان هوا طبقه بندی می شوند که در ادامه این مقاله که توسط کارشناسان شرکت دلتا کولینگ جمع آوری شده است به بررسی انواع برج های خنک کننده می پردازیم.

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.

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.

دسته بندی انواع برج خنک کن

در ابتدای این مطلب گفتیم که کارکرد برج خنک کننده بر اساس تبخیر سطحی آب است. پس برای اینکه متوجه شویم برج خنک کن چیست و چطور کار می کند، بهتر است در مورد کلمات کلیدی مرتبط با Cooling tower توضیح دهیم. در این بخش مفهوم تبخیر سطحی که از مبانی انتقال حرارت در برج خنک کن است، را توضیح میدهیم.

شماتیک کلی مسیر حرکت هوا و آب و نحوه عملکرد برج خنک کن

تبخیر سطحی فرآیندی است که در آن، مایع مورد نظر به حالت بخار در می آید و گرمای نهان تبخیر را از محیط جذب می کند. به صورت کلی هر مایعی به میزان مشخصی در هر دما دچار تبخیر سطحی می شود. به عنوان مثال هنگامی که از استخر بیرون می آیید، با وجود اینکه دمای قطرات آب روی پوست شما به دمای تبخیر آب نرسیده است، به دلیل تبخیر سطحی احساس سرما می کنید. شدت تبخیر سطحی به مقدار سرعت جریان هوا نیز بستگی دارد. به همین دلیل وقتی که از استخر خارج شدید، اگر باد شدیدی بوزد، احساس سرمای بیشتری می کنید.

تفاوت تبخیر سطحی و تبخیر عادی

تفاوت تبخیر سطحی با تبخیر (بر اثر جوش آمدن) این است که تبخیر سطحی در هر دمایی اتفاق میافتد ولی تبخیر بر اثر جوش آمدن نیازمند رسیدن مایع به دمای تبخیر است.

گرمای مورد نیاز برای تبخیر(Q)  با جرم جسم (m) رابطه مستقیم دارد و برای تبدیل تناسب به تساوی به یک ضریب نیاز داریم که در اینجا به نوع مایع بستگی دارد و با LV نشان داده می‏شود. بنابراین داریم:

QV=m*LV

در ادامه می خواهیم با مفهوم دمای حباب مرطوب آشنا شویم.

مفهوم دمای حباب مرطوب

در مباحث مربوط به تهویه دمای خشک محیط دمایی است که به وسیله دماسنجی که در فضای باز و محلی دور از تابش مستقیم آفتاب قرار گرفته باشد، مشخص خواهد شد. اگر دمای محیط ثابت باشد، با بالا رفتن رطوبت نسبی، دمای مرطوب نیز بیشتر می شود. به عنوان مثال ممکن است دمای شهر کرمان با بندر عباس در برخی از مواقع سال یکسان باشد، اما به خاطر بالا بودن رطوبت نسبی، دمای مرطوب بندر عباس همیشه بالاتر است. به همین دلیل در شهر های جنوبی و شمالی ایران که رطوبت نسبی هوا بالا است از کولر آبی برای سرمایش استفاده نمی شود.

دمای خشک

دمای حباب خشک محیط در هر منطقه طبق اطلاعات استخراج شده از ایستگاههای هواشناسی مربوطه، دارای میانگین حداقل و میانگین حداکثر می باشد که در محاسبات مربوط به تهویه به عنوان مرجع مورد استفاده قرار می گیرد.

تعریف دمای حباب مرطوب یا وت بالب() : با توجه به تعریف بیان شده در خصوص دمای خشک، اگر به دور حباب دماسنجی، پارچه ای پیچانده، آنرا خیس کنیم و دما سنج را بچرخانیم، دمایی که به دست می آید به Wet Bulb یا دمای حباب مرطوب معروف است. این دما یک دمای تعادلی است که به میزان دمای خشک هوا و رطوبت نسبی و همچنین ارتفاع از سطح دریا وابسته است.

نحوه محاسبه دمای مرطوب با استفاده از دمای خشک و رطوبت نسبی که کمک چارت  می باشد که در ادامه لینک دانلود چارت سایکرومتریک قرار داده شده است.

به عنوان مثال در بسیاری از طراحی ها محاسبات برج خنک کن در تهران بر مبنای دمای خشک 40 الی 44 درجه سانتیگراد و دمای مرطوب 24 درجه سانتیگراد می باشد که البته در سالیان اخیر دمای خشک و مرطوب تهران افزایش یافته و حتی در مناطق مختلف شهر متفاوت می باشد. مثلا دمای مرطوب در نزدیکی بالاتر از بقیه نقاط تهران است و به همین دلیل برای این منطقه باید از برج خنک کننده با طراحی خاص استفاده کرد.

دلیل اهمیت دمای مرطوب در محاسبات برج خنک کن این مطلب است که بر خلاف چیلرها که ظرفیت مشخصی دارند، تخمین اندازه و مشخصات برج خنک کننده با استفاده از واحد تن تبرید در کشور ایران منطقی نیست. زیرا یک کولینگ تاور با ظرفیت 100 تن تبرید در تهران، مشخصاتی متفاوت از یک برج با همین ظرفیت در شهر اهواز(با رطوبت نسبی بالا) یا اصفهان و مشهد و تبریز خواهد داشت.یا همانطور که گفته شد ابعاد و مشخصات یک برج خنک کن 500 تن تبرید برای مناطق اطراف دریاچه چیتگر، با مشخصات کولینگ تاور 500 تن در منطقه 1 تفاوت دارد.

اختلاف دمای بین سیال ورودی به برج و سیال خروجی از برج خنک کننده را Range (اختلاف دمای رنج) می نامند. در حقیقت این عدد نشانگر میزان تغییر دمای سیال یا آب در برج خنک کننده است.

اجزا و قطعات اصلی کولینگ تاور (برج خنک کننده)

برج خنک کننده از قسمت های مختلفی تشکیل شده است که مهم ترین آن ها عبارتند از:

• فن: مکانیزمی جهت جابجایی اجباری هوا درون برج خنک کننده می باشد. یا از نوع محوری (مکنده) است که در بالای برج قرار می گیرد و یا از نوع سانتریفیوژ (دمنده) که در جلوی برج تعبیه می شود.

انواع فن بکار رفته در برج های خنک کننده

• نازل های آب پاش: نازل هایی نصب شده در کلکتور آب ورودی به برج، که جریان آب داغ واردشده را بر روی پکینگ ها توزیع می کنند. اتمیزه شدن آب توسط نازل ها، علاوه بر پراکندگی بهتر آن روی سطوح پکینگ، منجر به کاهش فشار آب شده که دمای تبخیر آن را پایین می آورد. ضمن آنکه با تبدیل شدن آب به قطرات متعدد، سطح تماس میان آب و هوا نیز افزایش می یابد.

نازل های آب پاش در برج های خنک کننده

• پکینگ: عاملی است جهت افزایش سطح تماس میان آب و هوا که منجر به تشدید فرایند تبخیر می شود. به طوری که پس از پاشش آب توسط نازل ها، آب به صورت لایه های نازک در سطوح پکینگ، کاملاً پخش شده و این چنین در تماس با هوای بیشتری قرار می گیرد. علاوه بر این، بواسطه به تله افتادن آب درون پکینگ، زمان بیشتری برای تبخیر آن به وجود خواهد آمد.

در واقع پکینگ در کولینگ تاور نوعی مبدل حرارتی به حساب می آید.

نوعی پکینگ بکار رفته در برج های خنک کننده

• پورت آب جبرانی: متصل به شناوری است که با پایین آمدن سطح آب درون تشتک برج (ناشی از تبخیر و تخلیه آب) آب جبرانی را تغذیه می کند. اساس کار شناور متصل به این پروت دقیقا مشابه شناور در کولرهای آبی است. زمانی که سطح آب داخل تشتک کاهش می یابد، شناور به سمت پایین حرکت می کند و آب بیشتری به داخل کولینگ تاور وارد می شود و بالعکس، زمانی که سطح آب داخل تشتک افزایش می یابد، شناور بر اساس قانون شناوری پاسکال، به سمت بالا حرکت می کند و مسیر آب ورودی به داخل تشتک را محدود تر می کند. در واقع وظیفه شناور و پورت آب جبرانی این است که سطح آب داخل تشتک برج خنک کننده را در سطح بهینه ای حفظ کند.

• پورت آب سر ریز: در صورت خرابی شناور و عمل نکردن آن هنگام پر شدن تشتک برج، از طریق این پورت، آب اضافی از تشتک سرریز می شود. چراکه در صورت تجمع بیش از حد برج و رسیدن سطح آب به پکینگ ها، عملکرد برج خنک کننده دچار اختلال می شود.
• پورت آب تخلیه: با توجه به ارتباط مستقیم آب با هوا و در نتیجه کثیف شدن آن، آب آلوده شده از طریق این پورت تخلیه شده و بوسیله پورت آب جبرانی، آب تمیز جایگزین می شود. پورت آب تخلیه همواره در پایین ترین قسمت از تشتک کولینگ تاور نصب می شود.
• پورت آب داغ ورودی: محل ورود آب داغ به برج خنک کننده می باشد. این آب داغ می تواند از خروجی کندانسور چیلر تراکمی آب خنک و یا خروجی کندانسور یک چیلر جذبی باشد که حامل گرمای جذب شده از داخل ساختمان هستند.
• پورت آب سرد خروجی: محل خروج آب سرد از برج خنک کننده می باشد، در واقع آب سرد شده مجددا در دستگاه یا سیستم مورد نظر مورد استفاده قرار می گیرد.
• برج خنک کننده مرطوب چگونه سبب کاهش دمای آب می شود؟
• کولینگ تاور مدارباز یا مرطوب در اصل با ایجاد یک تماس مستقیم (در سطوح خنک کننده) بین آب و هوا سبب تبخیر مقدار اندکی از جریان آب (تقریبا 1 درصد) می گردد و گرمای مورد نیاز جهت تبخیر این میزان آب توسط جریان اصلی آب تامین شده و سبب خنک تر شدن دمای آب جریان اصلی (99 درصد باقی مانده) می گردد.
• همانطور که انتظار می رود ، در این مدل برج خنک کن تر انتقال گرما و جرم به صورت همزمان اتفاق می افتد. انتقال حرارت و انرژی گرمایی از طرف جریان آب به جریان هوا صورت می پذیرد و در این انتقال انرژی به واسطه ورود بخارات آب به هوا نوعی انتقال جرم هم صورت می پذیرد. در واقع در یک جمله خلاصه برج خنک کننده مرطوب با انتقال همزمان حرارت و جرم سبب خنک تر شدن آب در طی یک فرآیند باز می گردد. به همین دلیل این مدل خنک کننده را برج خنک کننده مدارباز نیز می نامیم.
• رعایت یک نکته مهم: در برج خنک کننده مرطوب به واسطه تبخیر بخشی از جریان آب و هدر رفتن آن ، لازم است به منظور جبران این تبخیر و هدررفت مقدار معینی آب جبرانی به جریان آب در گردش اضافه شود. به همین دلیل این مدل برج های خنک کن بیشتر برای مناطقی مورد کاربرد قرار می گیرد که در تامین این میزان آب جبرانی مشکلی نداشته باشد.

هدف برج خنک کننده مرطوب در واقع خنک کردن آب می باشد.

در بسیاری از محیط های صنعتی از آب برای خنک کردن دستگاه ها و تجهیزاتی که با تولید گرما مواجه هستند (مانند چگالنده ها ، مبدل های گرمایی ، توربین در نیروگاه ها و چیلر در تهویه مطبوع)  استفاده می شود .این سیال پس از خنک نمودن ، بازیابی و به محیط صنعتی برای استفاده مجدد برگشت داده می شود. انجام این عمل با سرد کردن آب گرم در برج خنک کننده مرطوب از طریق تماس با جریانی از هوای اشباع  نشده حاصل می شود که منجر به تبخیر درصدی از آب و انتقال گرمای محسوس و همچنین گرمای نهان تبخیر از آب به هوا و در نتیجه خنک شدن آب (در شرایط ادیاباتیک) می شود.

روند خنک سازی در برج خنک کننده مرطوب به این شکل صورت می گیرد که جریان آب با درجه حرارتی بالا (آب گرم) پس از ورود و عبور از قسمت پکینگها یا سطوح خنک کننده در تماس با جریان هوای تازه محیط بیرون قرار گرفته و خنک شده و در قسمت تشتک یا مخزن ذخیره آب خنک انباشته می شود( جریان هوای ورودی به برج خنک کن می تواند هوای طبیعی وارد شده از طریق لوورها باشد یا جریان هوای القایی ایجاد شده توسط فن یا پروانه باشد)

در چرخه گردش سیالات در برج خنک کننده مرطوب آب حاوی گرما در معرض تماس مستقیم جریان هوا قرار می گیرد و در تماس قرار گرفتن آب و هوا ، به دو دلیل دمای آب شروع به کاهش می نماید.

• 1 انتقال گرمای مستقیم از آب به هوای بیرون به دلیل اختلاف دمای آب گرم ورودی و هوای خشک محیط بیرون گرمای محسوس
• 2 انتقال گرمای غیر مستقیم به دلیل تبخیر بخشی از جریان آب و در نتیجه صرف شدن گرمای آب برای تامین انرژی لازم جهت تبخیر

پارامترهای تاثیرگذار بر عملکرد بهتر برج خنک کننده مرطوب

• پاشش اسپری و پودری جریان آب در خروجی افشانک ها یا نازل (آب پخش کن)
• سطوح وسیع خنک کننده (Cross Sectional Area)
• میزان هوادهی یا فلوحجمی جریان هوای القایی ایجاد شده توسط فن مکنده یا دمنده (Air Flow)
• عدم رسوب پذیری تجهیزات داخلی به مرور زمان در اثر تبخیر دائمی جریان آب در بخشهایی مثل نازل، پکینگ، آب پخش کن
• چرخش روان پروانه برج خنک کننده و بالانس بودن همزمان استاتیکی و دینامیکی فن