بررسی جامع انواع برج های خنک کننده

در این مقاله به بررسی برج خنک کننده و انواع برج های خنک کن و نحوه عملکرد آن پرداخته و هر یک از اجزای آن را مورد بررسی قرار می دهیم.

برج خنک کننده چیست

برج های خنک کن در اصل وسایل خنک کردن آب میباشد و وسیله ای است که گرمای تولید شده در کندانسور چیلر تراکمی آب خنک و انواع چیلرهای جذبی را به محیط آزاد منتقل میگردد. آب گرم خروجی از کندانسور به بالای برج خنک کن پمپ میشود و از آنجا به تشتک برج خنک کننده میریزد. آب گرم شده دوباره به برج خنک کننده باز میگردد. آب در برج به گردش در می اید و از بالا به طرف پایین ریخته میشود.

این آب در حین سقوط از درون پوشش های داخلی برج با هوا برخورد کرده و گرمای خود را به هوا میدهد. برجهای خنک کن سیستم توزیع و پخش آب گرم دارند که آب را به صورت یکنواخت روی شبکه مشبک نزدیک به هم می پاشدکه این شبکه ها آکنه یا پرکننده نامیده میشود.

آکنه ها آب سرازیر شده از بالای برج را با هوایی که از میان آنها حرکت میکند که این شبکه ها آکنه یا پر کننده نامید میشود. آکنه ها آب سراریز شده از بالای برج خنک کننده را با هوایی که از میان آنها حرکت میکند کاملا مخلوط کرده به طوریکه آب به صورت یک قطره از یک آکنه به سطح آکنه دیگر توسط نیروی ثقل خود میریزد هر چند در این برج ها مقداری انتقال حرارت محسوس از اب به هوا وجود دارد ولی تقریبا اثر خنک کنندگی تماما از آب اسپری شونده در برج خنک کننده حاصل میگردد. بخار حاصل از فرایند تبخیر در برج به وسیله جریان هوایی که توسط یک دمنده ایجاد میگردد از برج خارج میگردد. با توجه به اینکه دما و رطوبت هوای از برج افزایش میابد.

عوامل موثر در عملکرد برج خنک کننده

بدیهی است میزان تاثیر برج خنک کن تا حد زیادی به درجه حرارت مرطوب ورودی بستگی دارد و با کاهش آن افزایش میابد و عوامل دیگری عملکرد و برج های خنک کننده تحت تاثیر قرار میدهد.

1. سطح و زمان تماس آب و هوا
2. سرعت هوای عبوری از برج
3. جهت جریان هوا نسبت به سطح تماس آب (همسو و غیرهمسو)

از لحاظ ایده آل پایین ترین دمای قابل حصول در برج خنک کننده دمای مرطوب هوای ورودی میباشد. که در شرایط هوای خروجی از بخار آب اشباع خواهد بود. ولی اغلب دمای آب خروجی از برج خنک کننده 4 الی 6 درجه سانتی گراد بیشتر از دمای مرطوب خواهد بود بنابراین هوای خروجی از برج خنک کننده همواره مقداری کمتر از حالت اشباع پایین تر خواهد بود. دمای هوای مرطوب هر چه کمتر باشد راندمان برج افزایش میابد بنابراین در مناطق مرطوب کندانسور آبی به صرفه نیست و از کندانسور هوایی استفاده کرد.

نزدیکی approach:

اختلاف بین درجه حرارت آب خروجی از برج و دمای مرطوب هوای ورودی به برج میباشد. هر قدر نزدیکی را بخواهیم کمتر کنیم (دمای آب خروجی از برج را به دمای مرطوب محیط نزدیک تر کنیم باید برج خنک کن بزرگتر یا پر کننده های بیشتری را انتخاب کنیم. در عمل میتون به نزدیکی حدود 5 درجه فارنهایت رسید ولی اکثر اوقات نزدیکی را برای موارد متعارف حدود 7 درجه فارنهایت انتخاب میکنیم.

دامنه range:

درجه حرارت آب در عبور از برج خنک کننده یعنی اختلاف بین درجات حرارت ورودی و خروجی آب دامنه برج نامیده میگردد.

محاسبه بار برج خنک کننده:

بار برج خنک کننده را میتوان با اندازه گیری دبی اب و دمای آب خروجی با استفاده از معادله زیر بدست آورد.

Kg/ s ) *4.19* (range)(c˚)دبی آب= بار برج خنک کننده(kw)

بررسی اجزای اصلی برج خنک کننده

اغلب برج ها در ساختار خود بدنه ای دارند که آنها را محافظت میکند و موتورها و فن ها و دیگر اجزا را پوشش میدهد.

واسطه های انتقال حرارت

درون هر برج خنک کنی واسطه های انتقال حرارت وجود دارد که لاپرکن یا آکنه نامیده میشود. وظیفه این قطعات فقط این است که قطرات آب را به ذرات ریز تر تبدیل کنند و سطح انتقال حرارت بین آب و هوای ورودی به سادگی انجام شود. بیشتر از چوب یا پلاستیک ساخته شده اند. آکنه ها باید طوری انتخاب گردند تا هم سطح تماس آب و هوا برای نسبت های بالای انتقال حرارت و انتقال جرم مناسب باشند وهم مقاومت کمتری در مقابل جریان هوا داشته باشند. آکنه ها باید محکم، سبک و در برابر خوردگی و خراب شدن مقاوم باشد. دو نوع آکنه ها که در برج های خنک کننده ممکن است مورد استفاده قرار گیرد عبارت اند از : ترشحی و فیلمی.

پر کننده ترشحی splash packing

در این نوع آکنه ها آب در اثر برخورد با تیغه ها پخش و به صورت قطره قطره در آمده که در نتیجه ایجاد سطح وسیع مینماید. از آنجاییکه قطرات آب همراه پیوسته بوده و وزن سنگین دارند این نوع دسته بندی ممکن است در اثر جریان دائمی از هم گسیخته گردد.

پر کننده فیلمی film packing

در این نوع آکنه ها سطوح وسیع از آب در اثر جریان آن در روی تیغه ها بوجود می اید و به طریق گوناگون میتوان چنین سطح وسیعی ایجاد کرد.

حوضچه آب خنک cold water basin

حوضچه آب خنک در پایین برج قرار دارد آب خنکی که از پخش کننده ها فرود می اید را جمع آوری میکند. حوضچه اغلب یک چاهک برای تخلیه آب خنک دارد. در بیشتر برج ها آب خنک در زیر تمام سینی ها قرار دارد.

قطره برگردان ها یا حذف کننده ها drift eliminator

این قطعات آب موجود در بخار را به تله می اندازند تا وارد اتمسفر نشود. این وسیله از خارج شدن قطرات آب به وسیله کشش هوا از برج جلوگیری میکند. تیغه ها معمولا طوری نصب میشود که با سطح افق زاویه ای در حدود 45 درجه بسازد. جنس این تیغه ها از چوب، فلز یا پلاستیک ساخته شده است.

ورودی هوا air inlet

دریچه ای برای ورود هوا به رج وجود دارد. ورود هوا ممکن است در طرح ها متقاطع در اطراف بالا قرار داشته باشد یا مثل طرح های متقابل در کف یا قسمت پایین برج قرار گیرد.

نازل ها nozzles

آب را به صورت اسپری روی سینی ها می پاشند. توزیع یکنواخت آب روی سینی ها باعث میشود سطوح سینی ها به خوبی خیس شوند. نازل ها میتوانند ثابت باشند و طرح های اسپری مربعی یا گرد داشته باشند یا قسمتی از یک جز دوار باشند که در برج های متقاطع دیده میشود.

فن ها fans

روی بدنه برج سوار میشود و آبی را که از بالای برج توسط نازل ها روی صفحه پایینی پاشیده میشود خنک میکند. فن جریانی محوری سانتیفیوژ در برج های خنک کن استفاده میشود. معمولا در برج های با جریان هوای دمیده شده از فن محوری و در برج های با جریان هوای مکیده شده از هر دو نوع فن های محوری و سانتریفیوژ استفاده میشود.

فلز مربوط به پوشش موتور باید به منظور یافتن علامت های خوردگی بررسی شوند و پیچ های که موتور را اسکلت اصلی متصل میکنند نیز باید از نظر محکم بودن و سفتی مورد بررسی قرار گیرد. هنگام کارکرد فن به صدای آن با دقت گوش کنید تا صدای یاتاقان های فرسوده و برخورد پره های فن به پوشش محافظ را بشنوید.

فضای مورد نیاز برج خنک کننده

• برج هایی با ارتفاع 2.5 متر به ازای هر تن تبرید نیازمند سطحی به اندازه 0.1 متر مربع به ازای هر 50 متر مربع زیر بنای مفید ساختمان هستند.
• برج هایی با ارتفاع بلندتر از 2.5 متر هر تن تبرید نیازمند سطحی به اندازه 0.12 متر مربع به ازای 50 متر مربع زیر بنای مفید ساختمان هستند.

محل نصب برج خنک کننده

برج خنک کن را باید در فضای آزاد نصب نمود. بهترین محل نصب برج خنک کن روی زمین و نزدیک مرکز تاسیسات میباشد ولی گاهی به علت محدودیت فضا محل نصب برج خنککننده را روی سقف ساختمان قرار میدهدکه البته باید سقف و سازه ساختمان تحمل قدرت وزن برج خنک کننده را داشته باشد.

اما اگر برج در داخل ساختمان و محصور بین دیوارها نصب شود موارد زیر بایستی مورد توجه قرار گیرد.

1. باید فضای کافی و بدون مانع مزاحم در اطراف برج خنک کننده وجود داشته باشد تا هوای لازم به برج برسد
2. هوای گرم خروجی از برج باید به گونه ای تخلیه شود که امکان بازگشت و گردش آن به برج خنک کننده وجود نداشته باشد. زیرا گردش مجدد چنین هوایی در برج دمای مرطوب هوای ورودی به برج را افزایش میدهد و باعث گرم آب در خروج از برج میگردد.

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 ساختمان محل نصب تجهیزات اضافی برای تقویت آن، هزینه پروژه و مسائل مربوط به معماری.

لوله کشی برج خنک کننده

سیستم لوله کشی برج خنک کننده بایستی به گونه ای طراحی گردد که امکان انبساط و انقباض بین لوله ها فراهم باشد و چنانچه برج بیش از یک اتصال ورودی باشد باید جهت متعادل کردن جریان اب به هر یک از سلول های برج خنک کن شیر متعادل کننده نصب گردد و چنانچه لازم باشد یکی سلول ها برج خنک کننده جهت تعمیرات از مدار خارج گردد باید دارای شیر مسدود کننده باشد. در برخی موارد قطر لوله مکش پمپ از قطر خروجی برج کمتر است از این رو باید از تبدیل قلیل کننده قطر استفاده گردد. این امر میتواند سرعت حرکت آب در لوله ها را زیاد کند و باعث ایجاد جریان جریان گردابی گردد. برای جلوگیری از این امر، باید لوله مکش از خروجی برج را با همان قطر خروجی برج به طول 10 برابر قطر لوله ادامه پیدا کند و سپس از تقلیل کننده استفاده کرد. در صورتی که قطر لوله مدار رفت و برگشت برج از 4 اینچ بزرگتر باشد باید از لوله های فولادی سیاه استاندارد استفاده کرد. مقدار آب مجاز در لوله کشی برج خنک کن را میتوان از جدول زیر استفاده کرد..

در صورت زیاد بودن دبی آب جریانی، گاهی لازم است چند برج خنک کن را با یکدیگر موازی نماییم که در این هتگام باید دقت کرد که افت فشار آب از پمپ تا تمام برج خا یکسان باشد و باید از یک لوله مشترک بین دو تشت برج جهت متعادل کردن آب داخل برج استفاده کرد به منظور ممانعت از سرریز آب به داخل برج نگام توقف کار تمام مبدل ها باید پایین تر سطح تراز برج باشد. در شکل زیر چگونگی لوله کشی صحیح برج خنک کننده را نشان میدهد.

انواع برج خنک کننده از نظر ساختار بدنه

از لحاظ ساختار بدنه، برج های خنک کن به دسته های زیر تقسیم می شوند.

برج خنک کننده مکعبی فلزی

براساس شکل و جنس ورق گالوانیزه بدنه نام گدای شده است. برج های کم ظرفیت مکعبی فلزی دارای یک فن جریان محوری در سطح جانبی هستند و بستر ریزش آب در انها از چوب اشباع شده، مواد پلیمری و یا ورق گالوانیزه است در این گونه برج های کم ظرفیت از افشانک استفاده نمیگردد. بلکه آب ورودی به تشک فوقانی برج ریخته و سپس از روی سطوح چوبی یا پلیمری گذر کرده و در تشتک زیرین برج جمع میشود. در برج های مکعبی فلزی پر ظرفیت از افشانک و فن های گریز از مرکز استفاده گردد.

برج خنک کننده فایبرگلاس

با شکل خمره ای دارای تشتک و بدنه ای از جنس فایبر گلاس و دارای فن جریان محوری در گلویی فوقانی است. جریان آب و هوا در این گونه برج ها نوع مخالف است. آب از بالا به پایین جریان میابد و هوا از پایین به بالا میباشد. بستر توزیع و گسترش آب در این گونه برج ها از جنس pvc است.

برج خنک کننده ذوزنقه ای

برج های چوبی ذوزنقه ای شکل هستند که دارای یک فن جریان محوری بزرگ در قسمت فوقانی میباشد. ظرفیت برج های ذوزنقه ای چوبی معمولا زیاد و فن انها نیز دارای قطر قابل توجه است. به همین دلیل انتقال حرکت الکتروموتور به پروانه به وسیله تسمه یا گیربکس انجام گیرد.

انواع برج های خنک کن از نظر جریان هوا و آب

• جریان مخالف القایی counter flow induced draft
• جریان متقاطع القایی cross flow induced draft

در تمامی برج های خنک کننده جریان آب از بالا به پایین است ولی جهت جریان هوا میتواند عمودی یا افقی باشد.

برج های خنک کننده جریان مخالف القایی counter flow induced draft

آب نیز از بالا به پایین بر روی پر کننده ها میرزد. بدین جهت جریان آب و هوا بر عکس یکدیگر میباشد. در این مدل برج خنک کن یک فن پروانه در بالای برج تعبیه شده است که به هنگام کار مطابق تصویر زیر هوای بیرون توسط فن به داخل برج کشده است و به طرف بالا به سمت فن و هوا خارج میگردد.

در این فرایند قسمتی از آب تبخیر میشود( حدود یک درصد). قطراب اب همراه هوا توسط eliminator از هوا گرفته میشود و فقط هوای مرطوب خارج میگردد.

راندمان برج خنک کننده counter flow نسبت به برج های cross flow بالاتری دارد.

برج های خنک کننده جریان متقاطع القایی cross flow induced draft

در این نوع برج های خنک کن، آب گرم کندانسور چیلر از بالا به پایین میریزد و فن ها در سطح بالا یا سطوح جانبی برج تعبیه شده اند، هوا ار از پهلو مکیده و به خارج هدایت میکنند. در شکل زیر ساختار این برج ها را مشاهده میکنید که جهت جریان هوا به صورت افقی و جهت جریان اب به صورت عمودی میباشد.

این نوع برج خنک کننده در مقایسه با نوع قبلی سطح بیشتری برای عبور هوا دارد. همچنین ارتفاع این نوع برج از حالت قبل کمتر است ولی احتمال بازگردش هوا در این برج زیادتر از حالت قبل میباشد که امر مثبتی نیست.

تحریریه تیم خدمات فنی مهندسی به فیکس