مقدمه


برج خنک کننده دستگاهی است که با ایجاد سطح وسیع تماس آب با هوا تبخیر آسان می کند و باعث خنک شدن سریع آب می گردد.عمل خنک شدن در اثر از دست دادن گرمای نهان تبخیر انجام می گیرد، در حالی که مقدار کمی آب تبخیر می شود و باعث خنک شدن آب می گردد.باید توجه داشت آب مقداری از گرمای خود را به طریق تشعشع ،هدایتی وجابجایی و بقیه از راه تبخیر از دست می‌دهد.
بیشتر دستگاههای خنک کن از یک مدار بسته تشکیل شده اند که آب در این دستگاهها نقش جذب ، دفع و انتقال گرما را به عهده دارد، یعنی گرمای بوجود آمده توسط ماشین جذب و از دستگاه دور می سازد. این کار باعث ادامه کار یکنواخت و پایداری دستگاه می شود.
در دستگاههایی که به دلایلی مجبوریم آب را بگردش در آوریم و یا به کار ببریم باید بنحوی گرمای آب را دفع کرد. با بکار بردن برجهای خنک کننده این کار انجام می گیرد. در تمام کارخانه ها تعداد زیادی دستگاههای تبدیل حرارتی (heat exchanger) وجود دارد که در بیشترآنها آب عامل سرد کنندگی است.
بدلایل زیر آب معمولترین سرد کننده هاست:
1.
بمقدار زیاد وارزان در دسترس می باشد.
2.
به آسانی آب را می توان مورد استفاده قرار داد .
3.
قدرت سرد کنندگی آب نسبت به اکثر مایعات( در حجم مساوی )بیشتر است.
4.
انقباض و انبساط آب با تغییر درجه حرارت جزیی است.
هر چند که آب برای انتقال گرما بسیار مناسب است با بکار بردن آن باعث بوجود آمدن مشکلاتی نیز می شود.
آب با سختی زیاد باعث رسوب سازی در دستگاهها شده و همچنین از آنجایی که بیشتر این دستگاهها از آلیاژ آهن ساخته شده اند مشکل خوردگی بوجود می آید. از طرف دیگر بیشتر برجهای خنک کننده در بر خورد مستقیم با هوا و نور خورشید می باشند محیط مناسبی برای رشد باکتریها و میکرو ارگانیسم ها نیز می باشد که آنها نیز مشکلاتی همراه دارند.
وارد شدن گرد و خاک بداخل برج نیز در بعضی مواقع ایجاد اشکال می نماید.در کل این مشکلات باعث می شود که بازدهی دستگاه کم شده و در نتیجه از نظر اقتصادی مخارج زیادتری خواهند داشت. در این مجموعه طبیعت این مشکلات و شرایط بوجود آمدن آنها و راههای جلوگیری از آنها را بطور مختصر شرح خواهیم داد.موارد استفاده از برجهای خنک کننده را نیز در بخش های دیگری از این مجموعه را در بر می گیرد.     

عموماً برجهای خنک کننده (cooling tower) را به سه گروه تقسیم می کنند:
1.
برجهای خنک کننده مرطوب
2.
برجهای خنک کننده مرطوب- خشک
3.
برجهای خنک کننده خشک
در برجهای خنک کننده مرطوب، آب نقش اصلی و اساسی را داشته و هدف نیز همان خنک کردن آب است. این نوع دستگاهها که خود به چند گروه و دسته تقسیم می شوند در صنعت دارای کاربرد فراوانی است.
از یرجهای خنک کننده خشک بیشتر در مکانهای که آب کافی برای خنک کردن برج وجود ندارد استفاده می شود. عمل خنک کردن آب را نیز میتوان از برجهای سینی دار بصورت مرحله ای انجام داد.ولی عملاً بعلت وجود هزینه های زیاد ساخت ،نگهداری و کنترل سیستم این روش ، معمول نمی باشد.
برای انجام عملیات خنک سازی آب می توان از برجهای آکنده و سینی دار استفاده نمود.با وجود این در مواردی که فازهای مورد نظر آب و هوا با شند بعلت فراوانی و ارزان بودن فازهای فوق بدلایلی که در صفحه قبل ذکر شد از دستگاههای دیگری استفاده می گردد که ساختن و نگهداری آنها مستلزم هزینه های زیادی نمی باشد. از این جهت بیشتر دستگاههایی که در مقیاس صنعتی بکار می رود ساختمان و خصوصیات بسیار عمده ای را دارا است که اینک به انواع مختلف این دستگاهها اشاره می شود

انواع برج خنک کننده

الف) برجهای خنک کننده مرطوب

برجهای خنک کننده مرطوب حرارت تلف شده به وسیله دستگاه را به وسیله مکانیزمهای زیر به محیط می دهند
    
بوسیله افزایش حرارت هوای اطراف.1
بوسیله تبخیر بخشی ازآب در حال گردش در سیستم.2
بوسیله افزایش دمای مخزن طبیعی آب جمع آوری سرد شده.3
برجهای خنک کننده یک سیستم توزیع و پخش آب گرم دارند که آب را بصورت یکنواخت روی یک شبکه کاری مشبک از تخته های افقی نزدیک به هم می باشد که این شبکه ها آکنه نامیده می شوند . آکنه ها آب سرازیر شده از بالای برج را با هوایی که از میان آنها حرکت می کند کاملاً مخلوط کرده بطوریکه آب بصورت یک قطره از یک آکنه به سطح آکنه دیگر توسط نیروی ثقل خود می ریزد .
هوای بیرونی از طریق منافذی که بصورت میله های افقی در اطراف برج قرار دارند وارد می شوند . این میله ها بمنظور نگهداری آب در داخل خود بطرف پائین مایل هستند . در اثر اختلاط آب و هوا ، انتقال حرارت و انتقال جرم اتفاق افتاده و در نتیجه آب سرد می گردد . آب سرد شده در حوضچه بتنی که در انتهای برج قرار دارد جمع آوری شده و سپس بطرف کندانسور پمپ می شود . اکنون هوای مرطوب و گرم از بالای برج خارج می گردد .
برجهای خنک کننده مرطوب بصورت برجهای خنک کننده با کشش طبیعی و برجهای خنک کننده با کشش مکانیکی دسته بندی می شوند .

ب)برجهای خنک کننده خشک

در مکانهای که آب کافی برای برج خنک کننده مرطوب وجود ندارد ، می بایست از اتلاف بر اثرتبخیرحداکثر جلوگیری بعمل آورد ، از این نوع برج استفاده می شود .دربرجهای خنک کننده خشک ، آب در حال گردش از میان لوله های پره دار عبور کرده بطوریکه هوای سرد از روی آنها عبور می کند .بنابراین حرارت آب در حال گردش از طریق لوله ها خارج شده و جذب هوای سرد می گردد.
برجهای خنک کننده خشک می توانند با کشش طبیعی و یا با کشش مکانیکی عمل نمایند .یک افشانک هوا که با بخار کار می کند با خارج کردن هوا و سایر گازهای غیر قابل تراکم به برقراری خلا کمک می کند . برای جلوگیری از نشت هوا به داخل دستگاه پمپ گرادیان اصلی فشار در داخل برج را مثبت نگه می دارد .ممکن است قسمتی ازکار پمپ توسط توربین هیدرولیک بازیابی گردد . این عمل پس از خروج آب از برج در مسیر آب فشانه های جتی انجام می گیرد .
فشار متراکم و درجه حرارتهایی که یک برج خنک کننده خشک بکار می برد بطور قابل ملاحظه ای بیشتر از برج مرطوب است . برای دستیابی به فشار بیشتر ، مساحت کوچکتری برای فضای بین دو تیغه آخرین مرحله در بوربین با فشار کم ضروری است . در یک برج خنک کننده خشک با کشش طبیعی ، شناوری هوای گرم شده باعث جریان یافتن هوا در سرتاسر سطوح مولد حرارتی می گردد که برای انتقال حرارت آب داغ به جریان هوا ضروری است . همچنین می توان جریان هوا را با ایجاد کشش القائی یک بادبزن افزایش داد . کشش مکانیکی استفاده شده از یک بادبزن ابعاد برج را تقلیل داده ولی باعث اتلاف انرژی بیشتری در دستگاه می گردد .
برج خنک کننده خشک فقط باعث اضافه شدن انتالپی به هوا می گردد . در نتیجه مشکلاتی از قبیل یخ زدگی که در برج خنک کننده مرطوب در شرایط خاص جوی با آن مواجه است ، ایجاد نمی شود

ج )برجهای خنک کننده خشک-مرطوب

با توضیحاتی که در مورد دو نوع برجهای قبلی داده شد مشخص می شود که برجهای مرطوب همیشه مقداری آب بصورت تبخیر ، مکش توسط هوا و نشتی مصرف می کنند .همچنین این برج دچار مشکل پراکندن ذرات آب هست .
برجهای خنک کننده خشک مشکلی بر کارکرد نیروگاه بخصوص در موقع گرم شدن هوای محیط تحمیل می کند .
در چنین مواردی برای کاهش عوارض حاصل از دو نوع برج ذکر شده از برجهای خنک کنننده خشک-مرطوب استفاده می شود .
همانطوری که از نام این نوع برجهای خنک کننده استنباط می شود یک برج خنک کننده خشک- مرطوب بوسیله ترکیبی از برجهای خشک و مرطوب عمل می کند . این سیستم دارای دو مسیر هوای موازی و دو مسیر آب سری می باشد .
قسمت بالای برج قسمت خشک می باشد که شامل لوله های پره دار است و قسمت پائین برج دارای آکنه ها است قسمت مرطوب است .
آب گرم پروسس از قسمت فوقانی برج وارد لوله های پره دار شده و ضمن عبور ماپیچ از لوله ها قسمت خشک را ترک کرده و تحت اثر نیروی جاذبه از میان آکنه ها در قسمت مرطوب به حوضچه آب سرد می ریزد .
هوای محیط بصورت دو جریان از میان قسمتهای خشک ومرطوب کشیده می شود .این دو جریان بهم پیوسته و قبل از ترک برج در داخل آن مخلئط می شود . چون اولین جریان بصورت خشک گرم شده و حتی خشک تر از هوای محیط می گردد . در حالیکه جریان دوم بطور معمول اشباع است ، بنابراین مخلوط هوای که برج را ترک می کند زیر اشباع است .
دو فایده مهم برای برجهای خشک و مرطوب وجود دارد :
1.
هوای زیر اشباع خروجی ذرات آب کمتری نسبت به برج مرطوب ایجاد نموده و شرایط اقلیمی مطلوب آنها را کاملاً حذف می کند .
2.
چون آب در قسمت خشک قبلاً خنک شده است بنابراین افت های ناشی از تبخیر در قسمت مرطوب کاهش یافته است و در نتیجه از مصرف آب جبرانی برای جبران تبخیر آب بطور قابل ملاحظه ای کاسته خواهد شد .
نسبت حرارت گرفته شده در قسنتهای خشک و مرطوب بوسیله دو پارامتر تنظیم می گردد . برای مثال اگر آب مشکل اصلی باشد ، برج را با قسمت خشک بزرگتری نسبت به قسمت مرطوب می سازند . بعلاوه تبخیر را می توان توسط یک کنترل کننده که جریان هوا را از میان قسمت مرطوب تنظیم می کند تغییر داد .
در آب و هوای سرد زمستان برای تقلیل اختلاف دمای ورودی و خروجی آب به برج برای معتدل ساختن دمای آب برگشتی به پروسس، عبور هوا از میان قسمت مرطوب را قطع نموده و برج را بصورت یک برج خنک کننده خشک تبدیل کرد . از طرف دیگر می توان زیر فن یک مانع بصورت یک در تعبیه کرد که می توان از آن در آب و هوای گرم که قسمت خشک برج مشکلی برای کارکرد نیروگاهی ایجاد می کند برای افزایش دمای محیط استفاده کرد .
برجهای خنک کننده خشک – مرطوب در مواردیکه امکان دسترسی به آب هست و نیز نیاز به کاهش مؤثر ذرات باشد مورد استفاده قرار می گیرد .
انواع برجهای سرد کننده آب
برجهای که برای سرد کردن آب مورد استفاده قرار می گیرند معمولاً از چوب ساخته می شوند .این چوب از نوع مخصوص است که مقاومت بسیاری در مقابل رطوبت دارد . معمولاً در اثر تماس آب با چوب احتمال روئیدن گیاهان قارچی در درون خلل و فرج چوب وجود دارد. از این رو پوشش نازکی از لاستیک نئوپرین روی چوب ایجاد می کنند تا از حمله گیاهان قارچی در امان باشد .
بر دیواره های برج علاوه بر چوب از مواد دیگری نظیر ملات ، پنبه نسوز و پلاستیکهای مختلف استفاده می شود .حتی برجهای وجود دارند که تماماً از مواد پلاستیک ساخته می شوند . آکنه های داخل برج همگی از جنس چوب بوده و به صورت قطعات باریک ونازک بر روی یکدیگر قرار داده می شود .
چوبها را می توان به انواع مختلف روی یکدیگر قرارداد .نوع بسیار متداول این است که در هر ردیف موازی با هم چیده شوند و جهت چوبها در هر ردیف عمود بر جهت آنها در ردیف بالاتر باشد .
استفاده از آکنه های پلاستیکی و حتی از جنس استیل نیز مقدور است که در آن صورت بکمک قالب ریزی آنها را بصورت شبکه های مختلف در می آورند .
برای آنکه افت فشار در طول برج به کمترین حد ممکن کاهش یابد درصد فضای خالی به حجم برج معمولاً بسیار زیاد و در حدود 90 درصد اختیار می شود . در چنین حالتی می توان انتظار داشت که فاز آب علاوه بر حرکت از روی آکنه ها بشکل قطرات مجزا در فضای خالی برج به پائین بریزد که در این صورت سطح تماس موجود بین آب وهوا علاوه بر قسمتهای مرطوب آکنه ها شامل مجموع سطوح این قطرات نیز می باشد .بنابراین خصوصیت مشترک برجهای خنک کن این است که آب توسط نیروی ثقل خود از بالا روی آکنه ها ریخته و توسط جریان هوایی که اطراف آن وجود دارد خنک می شود

برجهای خنك كن

برجهای خنك كن در اصل وسایل بازیابی آب می باشند . آب گرم خروجی از كندانسور به بالای برج خنك كن پمپ می شود و از آنجا به تشتك برج می ریزد . هر چند در این برجها مقداری انتقال حرارت محسوس از آب هوا وجود دارد ولی تقریبا اثر خنك كنندگی تماما از تبخیر قسمتی از آب اسپری شونده در برج حاصل می گردد و حرارت لازم برای تبخیر قسمت تبخیر شونده آب از جرم آب باقی مانده دربرج تامین می شود و درجه حرارت جرم آب باقی مانده كاهش می یابد. بخار حاصل از فرایند تبخیر در برج به وسیله جریان هوایی كه توسط یك دمنده ایجاد می شود از برج خارج می گردد . با توجه به اینكه دما و رطوبت هوای از برج افزایش می یابد بدیهی است میزان تاثیر برج خنك كن تا حد زیادی به درجه حرارت مرطوب هوای ورودی بستگی دارد و با كاهش آن افزایش می یابد و عوامل دیگری كه عملكرد و برجهای خنك كن را تحت تاثیر قرار می دهند عبارتند از :

1-سطح و زمان تماس آب و هوا 2- سرعت هوای عبوری از برج 3- جهت جریان هوانسبت به سطح تماس آب ( همسو و غیر هم سو ). سطح تمامی آب با هوای شامل : 1- سطح آب در تشتك برج 2- كلیه سطوح خیس شده در برج 3- سطح كل قطرات آب پاشیده شده در برج می باشد . از نظر تئور یك پائین ترین دمای قابل حصول برای آب در برج خنك كن دمای مرطوب هوای ورودی می باشد كه در آن شرایط هوای خروجی از بخار آب اشباع خواهد بود ولی اغلب دمای آب خروجی از برج 4 تا 5/5 درجه سانتی گراد بیشتر از دمای مرطوب هوای ورودی است بنابراین هوای خروجی از بخار آب اشباع خواهد بود ولی اغلب دمای آب خروجی از برج 4تا 5/5 درجه سانتی گراد بیشتر از دمای مرطوب هوای ورودی است بنابراین هوای خروجی از برج همواره مقداری از حالت اشباع پایین تر خواهد بود. اختلاف بین درجه حرارت آب خروجی از برج و دمای مرطوب هوای وردی به برج مرطوب هوا نزدیك تر خواهد شد. ولی از نظر اقتصادی حداكثر مقدار آبی كه می تواند در برج جریان یابد تا اندازه ای با توان مصرفی پمپ محدود می شود.

كاهش درجه حرارت آب در عبور از برج ( اختلاف بین درجات حرارت ورودی و خروجی آب ) range برج نامیده می شود. در سیستمهای با كندانسور آبی مگر در مواقعی كه از میان بر استفاده شده باشد range برج همواره برابر افزایش دمای آب در كندانسور خواهد بود. بار یك برج خنك كن را می توان با اندازه گیری و دبی آب برج و دمای آب و خروجی برج با استفاده از معادله زیر بدست آورد:

 

 

نوشته شده در تاریخ سه شنبه 2 خرداد 1391    | توسط: صابر خواجه    | طبقه بندی: برج خنک کن،     |
نظرات()