انواع برج خنک کننده (COOLING TOWER) همواره به عنوان یکی از مهمترین تجهیزات صنعتی محسوب میشود که نقشی کلیدی را در فرآیندهای تولید و صنعت ایفا میکند. بعبارتی میتوان گفت که انواع برج خنک کننده، پای ثابت تمامی صنایع سنگین و نیمه سنگین جهان به شمار میروند. اما هدف از طراحی برج خنک کننده چیست؟!. کولینگ تاورها به منظور خنکسازی آب های داغ موجود در پروسه تولید و بازگردانی مجدد آنها به چرخه تولید، مورد استفاده قرار میگیرند. در نتیجه ضمن کاهش مصرف آب، از هدررفت آب نیز جلوگیری میشود.

البته بایستی توجه داشت که طراحی برج خنک کننده باید متناسب با نیاز کاربری، بودجه، شرایط محیطی و اقلیمی، شرایط سیال جاری در دستگاه، ابعاد فیزیکی محل پروژه و... انجام گردد. بسته به همین عوامل، ممکن است جنس بدنه سیستم کولینگ از یکی از  متریالهای فایبرگلاس، استیل یا بتن ساخته شود. و یا نوع انتقال حرارت بر مبنای یکی از روشهای مدارباز، مدار بسته و یا جریان مخالف و جریان موافق باشد.

اهداف طراحی برج خنک کننده

در طراحی انواع برج خنک کننده دو هدف اصلی و دو هدف فرعی همواره مدنظر قرار دارد:

دو هدف اصلی طراحی کولینگ تاور ها همواره بر روی «عدم افت راندمان تولید و وجود مستمر آب خنک برای فرآیندیهای صنعتی» و «کاهش مصرف آب» استوار است. همچنین باید گفت که این دو هدف اصلی، خود به دو هدف فرعی دیگر قابل تقسیم هستند. بصورتیکه از یکسو با کاهش مصرف آب به ذخایر آب کشور فشار کمتری وارد می آید. و از سوی دیگر، با کاهش دما و حرارت سیال جاری در برج خنک کننده، از وارد آمدن آسیب به دستگاه ها و ماشین آلات صنعتی بطور جدی جلوگیری میشود.

طراحی اجزای برج خنک کننده

علاوه بر مولفه هایی همچون ساختار، اهداف طراحی و انتقال حرارت در طراحی برج خنک کننده بایستی با استفاده از یکسری قطعات و سیستم های مختلف پیاده سازی شود. از همین رو در ادامه به معرفی مهمترین اجزای تشکیل دهنده برج خنک کننده خواهیم پرداخت:

• الکتروموتور: مغز سیستم کولینگ تاور و انتقال دهنده قدرت و توان دستگاه
• پروانه: قطعه واسط و میانی برای انتقال قدرت الکتروموتور به فن می باشد.
• فن: وارد کننده و به جریان در آورنده‌ی هوای محیط بیرون و جریان هوای داخلی سیستم کولینگ
• سیستم های هوارسان
• گارد محافظ فن ها
• سیستم پاشش آب: وظیفه‌ی توزیع آب بر روی پکینگ ها را بر عهده دارد.
• پمپ آب: سیال را به بخشهای فوقانی سیستم کولینگ منتقل میکند تا فرآیند تبخیر و یا انتقال گرمای غیرمستقیم آغاز گردد.
• بدنه دستگاه: عمدتاَ طراحی برج خنک کننده از جنس فایبرگلاس می باشد.
• بولی
• دیواره جداساز
• نردبان
• پکینگ: (سطوح برقرار کننده برخورد میان آب و هوا تا فرآیند تبخیر رخ دهد)
• کویل: در کولینگ تاور مداربسته، سیکل بسته ای برای جریان رفت و برگشتی سیال بوجود می آورد.
• صافی: بخش مهمی در طراحی برج خنک کننده که به کاهش املاح و سختی سیال جاری در این تجهیزات کمک میکند.
• دو حوضچه مجزای پایینی و بالایی
• تشتک: پس از اتمام کار خنکسازی آب، سیال خنک شده در این بخش جمع شده و سپس به لوله های خروجی آب هدایت میشود.
• شیر هواگیری
• شیر قطع کن اتوماتیک
• روتور
• سرریزگاه سیال
• نازل برج خنک کننده

نقش فنهای محوری در طراحی برج خنک کننده

معمولاَ از یکی از دو نوع فن محوری یا سانتریفیوژی در طراحی برج خنک کننده بهره گرفته میشود. البته میزان استفاده از فن های محوری به مراتب بیشتر از دیگر مدلهاست. زیرا علاوه بر ظرفیت هوادهی بیشتر برای سیستم کولینگ تاور، از لرزش و تولید صدای زیاد دستگاه نیز تا حدود زیادی جلوگیری میکند. ضمناَ به لحاظ جنس و نوع ساختار نیز دارای مقاومت قابل توجهی است.

این نوع فن علاوه بر بکارگیری در طراحی برج خنک کننده، مطابقت جالب توجهی نیز با انواع ایرکولر و چیلرها نیز دارد. مصرف انرژی کمتر و کمک به افزایش بازدهی سیستم کولینگ، از دیگر مزایای فن محوری کولینگ تاور به شمار میرود. از دیگر مزایای فن محوری میتوان به ایجاد شرایطی برای چرخش جریان هوای مناسبتر در سیستمهای دمنده ومکنده جریان القایی اشاره نمود.

تفاوت طراحی برج خنک کننده مدارباز و مداربسته

شاید در نگاه اول تفاوتهای چندانی میان ظاهر انواع کولینگ تاور مداربسته و مدارباز به چشم نیاید. اما بایستی بدانید که مکانیزم عملکرد و طراحی برج خنک کننده مداربسته و مدارباز دارای تفاوت های عمیقی است. از همین رو میخواهیم به تشریح اجمالی نوع عملکرد این دو سیستم کولینگ بپردازیم.

طراحی برج خنک کننده مدارباز: اساس طراحی کولینگ تاور مدارباز، برمبنای ایجاد شرایطی به منظور دفع و تبادل مستقیم گرما است. بدینگونه که آب با کمک سیستم پاشش بطور یکنواخت بر روی سطح پکینگ ها ریخته میشود. به طور همزمان از سوی فن ها، جریان هوای خنک بیرونی وارد برج خنک کننده میشود. جریان آب و هوا بر روی سطح پکینگ ها با یکدیگر به صورت مستقیم تماس پیدا کرده و در نتیجه سال خنک میشود. بخاطر داشته باشید که هرچقدر مدت زمان تماس بین این دو جریان بیشتر شود، عملیات تبخیر نیز بیشتر طول میکشد و در نتیجه مقدار بیشتری از سیال (آب) خنک میگردد.

طراحی برج خنک کننده مداربسته: برخلاف مدلهای مدارباز، در این نوع سیستم کولینگ تبادل گرما به گونه غیرمستقیم انجام میگیرد. یعنی جریان آب در درون کویلهای مسی و لوله های آلومینیومی به شکل کاملاَ بسته ای جریان دارد و اصلاَ با هوا تماس مستقیم پیدا نمی کند. اما فن ها نیز بیکار نبوده و جریان هوای خنک را به صورت مکنده وارد برج خنک کننده میکنند. سپس به حالت دمنده، جریان هوای ورودی را به سمت سطح خارجی کویل و لوله ها پرت میکند. بدین صورت رفته رفته سیال جاری در درون لوله ها و کویل، دمای خود را از دست میدهد. گرمای ساطع شده نیز به سمت بالای کولینگ تاور میرود و با شوتینگ از دستگاه خارج میشود.

مولفه‌های موثر بر طراحی برج خنک کننده

در طراحی برجهای خنک کننده عوامل بسیار بسیار گسترده ای دخیل خواهد بود. اما اگر بخواهیم به لحاظ کمیتی و محاسبه گرانه به پارامترهای موثر بر طراحی کولینگ تاور بنگریم، میتوانیم به 4 عامل مهم اشاره داشته باشیم:

• رنج: رنج به عدد حاصل از محاسبه اختلاف دمای ورود و خروج تعیین شده اطلاق میشود. عدد رنج هرچقدر افزایش داشته باشد، ظرفیت برج خنک کن می‌تواند سیر صعودی داشته باشد.
• اپروچ: اپروچ درواقع دیگر پارامتر موثر بر طراحی برج خنک کننده به شمار میرود که تنها مربوط به دمای خروجی سیال دستگاه و دمای مرطوب میشود. هرچقدر عدد کمیتی اپروچ کمتر باشد، نیاز به طراحی برج خنک کننده بزرگتری خواهید داشت.
• دبی آب: با افزایش دبی آب سیستم کولینگ، مسلماَ ظرفیت و ابعاد دستگاه نیز نیاز به حجیم تر شدن خواهد داشت.
• دمای مرطوب: این پارامتر ارتباط بسیار مستقیم با شرایط جغرافیایی داشته و در واقع در یک مثال ساده محیطی که دارای میزان گرمای بالاتری بوده و یا در شرف دریا می‌باشد. دمای مرطوب محیط دارای عدد بیشتری نسبت به مناطق خشک می‌باشد.

ظرفیت برج خنک کننده

یکی از مهمترین پارامترهای طراحی برج خنک کننده، تعیین ظرفیت کولینگ تاور است. روند تعیین ظرفیت سیستم کولینگ، درواقع بر اساس خواست کارفرما و مبتنی بر نیاز پروژه صورت میگیرد. ظرفیت برج های خنک کننده که با نام توان سرمایشی نیز شناخته میشود، بر اساس پارامترهایی همچون:

• نیاز پروژه و حجم تولید و فعالیت صنعتی
• ارتفاع محل پروژه از سطح دریا
• درصد و مقدار رطوبت نسبی محیط
• توان و قدرت کولینگ تاور
• دمای خشک و حباب تر محیط
• میزان دبی آب در گردش در سیستم کولینگ (cooling tower) و...

تعیین میگردد. مشخصاَ با افزایش ظرفیت برج خنک کننده، ابعاد و قیمت این دستگاه ها نیز بیشتر می شود.

تأثیر ظرفیت بر وزن برج خنک کننده

همانطور که پیشتر نیز عنوان کردیم ظرفیت برج خنک کن به مقدار حرارتی گفته میشود که سیستم کولینگ با عمل تبخیر، از سیال خنک شونده جذب میکند. ظرفیت نامی برج خنک کننده با ظرفیت واقعی و عملکردی آن تفاوت دارد.

ظرفیت برج خنک کن بر حسب کیلو وات (تناژ خنکسازی و تبرید) قابل اندازه گیری می باشد. به طور دقیق، هر کیلووات موثر کولینگ تاور معادل 0.2843 تن تبرید (خنکسازی) خواهد بود.