نحوه کارایی برج های خنک کننده مخروطی

طرز کار و عملکرد Cooling tower

آب خنک کاری یا کولینگ واتر پس از چرخش در داخل دستگاه ها و ماشین آلات مختلف، انرژی حرارتی را از آنها می گیرد و دمایش زیاد می شود. برای خنک کردن کولینگ واتر معمولا از برج خنک کن استفاده می کنیم. به همین دلیل است که اگر برج خنک کننده بی کیفیت بوده و یا راندمان عملکرد پایینی داشته باشد، امکان دارد کل خط تولید یک کارخانه متوقف شود. با این توضیح می توانیم بگوییم:

برج خنک کننده مانند قلب مدار خنک کاری یک کارخانه است.

قیمت تعمیرات برج خنک کننده: عداد زیادی از مدیران فنی و مالکین کارخانه ها، تصور می کنند خریدن یک Cooling tower ارزان، باعث صرفه جویی در هزینه ها می شود. اما واقعیت این است که خرید ارزان معمولا هزینه و زمان تعمیرات را بالا می برد. به همین خاطر است که برج های ارزان معمولا باعث دردسر همیشگی پرسنل تعمیرات و نگهداری است و مقدار تولید مجموعه را هم کم می کند که این مساله در بازار رقابتی این روزها، مثل دور ریختن بخش زیادی از حاشیه سود تولید خواهد بود.

بخاطر طولانی بودن این مطلب و راحتی دسترسی شما خوانندگان عزیز به بخش مورد نظر، در ابتدا فهرستی از تیترهای این مطلب قرار می دهیم تا با کلیک بر روی هر تیتر، به بخش مورد نظر منتقل شوید.

)، دستگاهی است که دمای سیال یا آب را با استفاده از تبخیر سطحی کاهش می دهد. بدلیل راندمان مناسب، کم هزینه و ساده تر بودن کاهش دما بر مبنای تبخیر سطحی نسبت به استفاده از چیلر یا ایر کولر، استفاده از برج خنک کننده مخروطی در صنایع مختلف گسترش یافته است.

تصویر مقایسه نوع کارکرد برج خنک کن جریان مخالف و جریان متقاطع

برج خنک کننده انواع مختلفی دارد که پر مصرف ترین آنها، کولینگ تاور فایبرگلاس پکیج است. این نوع از Cooling tower در کارخانه شرکت سازنده و به صورت کامل تولید می شوند و نیاز به ستون جداگانه و بدنه بتونی یا کامپوزیت و فایبر ندارند. مناسب ترین نوع برج پکیچ، کولینگ تاور مکعب شکل کانترفلو یا جریان مخالف مکعبی است. البته در زمان خرید باید حتما به کیفیت محصول و داشتن استاندارد از طرف تولید کننده توجه کرد. فراموش نکنید که برج خنک کن مخروطی(مدور یا بطری) شکل از نظر کیفیت و عملکرد سطح بسیار پایینی دارد و به خاطر ایرادها و مشکلات تعمیر نگهداری، انتخاب خطرناکی است.

 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

 Evaporation VS Vaporization

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.

تصویر روش اندازه گیری وت بالب برای محاسبات برج خنک کننده و کولینگ تاور

Wet bulb temperature

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.

Dry bulb temperature

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.

آیا برای مقدار خنک کردن آب در کولینگ تاور محدودیت وجود دارد؟

شاید برای شما هم این سوال به وجود آمده باشد که آیا برج خنک کن می تواند دمای آب را بیشتر از 10 یا 15 درجه خنک کند؟ مثلا با استفاده از Cooling tower می توانیم آب را 20 یا 30 درجه سانتیگراد خنک تر کنیم؟

در پاسخ به این سوال باید بگوییم اگر دمای آب خنک شده(خروجی) از حداقل 3 الی 5 درجه از وت بالب بیشتر باشد، در بعضی از موارد ممکن است بتوانیم کولینگ واتر را حتی 30 تا 40 درجه و در یک مرحله با برج خنک کننده مدار باز، سردتر کنیم. البته هر چقدر دمای آب گرم ورودی بیشتر باشد، احتمال ایجاد اختلاف دمای، افزایش پیدا می کند. برای اینکه دمای آب در سیستم کولینگ را بیشتر از 15 درجه، خنک کنیم، لازم است از نرم افزارهای تخصصی طراحی استفاده شود. اگر می خواهید در این بخش بیشتر مطالعه کنید می توانید مقاله ما را با عنوان برج خنک کننده حداکثر چه مقدار آب را سرد می کند؟ مطالعه کنید. با این توضیحات مشخص است تولیدکنندگان قدیمی و سنتی که برج خنک کننده را به صورت تن تبریدی می فروشند، توانایی و دانش انجام این کار را ندارند و خیلی وقتها می گویند “نمی شود با کولینگ تاور آب را بیشتر از 10 تا 15 درجه خنک کرد”، البته این تصور کاملا اشتباه است. 

اگر می خواهید در این بخش بیشتر مطالعه کنید می توانید مقاله ما را با عنوان مطالعه کنید.

اپروچ یا دمای تقرب یعنی چه؟ اختلاف دمای سیال یا آب خنک شده در برج خنک کن و دمای مرطوب محیط(Wet bulb)، را اپروچ می گویند. بر اساس توضیحات قبلی، از نظر تئوری مقدار دمای Approach در کولینگ تاور، نمی تواند کمتر از 2 تا 3 درجه سانتیگراد باشد.

نمایش معنی اپروچ و رنج در طراحی و محاسبات برج خنک کننده

فاکتور اندازه(Coolig tower size factor) در برج خنک کن چه معنی دارد؟ 

خریدن یک تجهیز صنعتی با قیمت پایین به شرطی که کیفیت آن کم نشود برای همه مشتریان جذاب است. شاید برای شما جالب باشد اگر بدانید با داشتن اطلاعات مناسب در زمان طراحی برج خنک کن می توانید اندازه و ابعاد محصول مورد نظر را کمتر کنید و هزینه کمتری هم برای خرید پرداخت کنید.

در این روش با حفظ کردن اختلاف دمای ورودی و خروجی برج خنک کننده(یا دمای رنج)، مقدار اپروچ را زیاد می کنیم تا اندازه و ابعاد برج کمتر شود.

برای مثال اگر در تهران با ثابت بودن دبی آب، دمای ورودی و خروجی Cooling tower را از مقدار 38(دمای ورودی به کولینگ تاور) به 28(دمای خروجی کولینگ تاور) تغییر بدهیم و به دمای 40 درجه سانتیگراد به 30 درجه برسانیم، می توانیم اندازه کولینگ تاور را بین 10 الی 15 درصد بدون تغییر در ظرفیت حرارتی، کم کنیم. در نتیجه قیمت برج خنک کن نیز بدون کاهش کیفیت، کمتر می شود.

دلیل این مساله مفهومی بسیار مهم در طراحی برج خنک کننده به نام، فاکتور اندازه و ابعاد است. این فاکتور با عدد میزان اپروچ (Approach) که اختلاف وت بالب یا دمای حباب مرطوب با دمای خروجی از کولینگ تاور است نسبت نمایی دارد.

همانگونه که مطالب قبل بیان شده از نظر تئوری دمای اپروچ(Approach) در کولینگ تاور نمی تواند کمتر از 2 الی 3 درجه سانتیگراد باشد. در حقیقت هر اندازه دمای مورد نظر جهت خروجی برج خنک کننده به دمای حباب تر یا وت بالب(Wet Bulb) نزدیک باشد، ابعاد برج خنک کن افزایش می یابد. نمودار تغییرات فاکتور ابعاد به نسبت اپروچ را در ادامه مشاهده می کنید. فرمول تبدیل دمای فارنهایت به سانتیگراد C=(F-32)*5/9 و با حذف عدد ثابت 32، به این دلیل که اختلاف دما مورد نظر است، مشخص می گردد که در عدد اپروچ حدود 17 درجه فارنهایت، معادل 9.5 درجه سانتیگراد، فاکتور ابعاد برج خنک کننده برابر 1 خواهد بود.

این در حالی است که در صورت کاهش دمای Approach (یعنی نزدیکتر شدن دمای خروجی برج خنک کن به وت بالب – حباب مرطوب) به عددی حدود 10 درجه فارنهایت معادل 5.5 درجه سانتیگراد، سایز برج خنک کن مورد نظر 1.5 برابر خواهد شد. این مساله موجب بزرگ شدن بیش از حد ابعاد برج خنک کن و بالا رفتن قابل توجه هزینه ساخت و قیمت کولینگ تاور می شود.

برای همین توصیه می کنیم به منظور امکان ارائه پیشنهاد قیمت مناسب برای برج خنک کننده، دمای خروجی کولینگ واتر را حداقل در حدود 7 الی 10 درجه سانتیگراد بالاتر از وت بالب یا دمای حباب تر انتخاب کنید تا فاکتور ابعاد کولینگ تاور – Cooling tower size factor – نزدیک 1 باشد.

فاکتور اندازه برج خنک کن در مقایسه با اپروچ بر حسب درجه فارنهایت

میک آپ چیست؟ 

Cooling tower make up water 

آب جبرانی یا میک آپ کولینگ تاور به آبی گفته می شود که برای جبران آب تبخیر شده و سر ریز به داخل مخزن و بسین برج خنک کننده اضافه می شود. آب Make up در برج خنک کننده حتما باید شرایط خاصی از لحاظ سختی و PHداشته باشد.

میزان آب میک آپ(جبرانی) در برج خنک کن = میزان تبخیر + میزان تلاف ناشی از پرتاب قطرات + میزان آب سر ریز یا بلو دان

مفهوم آب سر ریز یا زیر کش شده در برج خنک کنندهCooling tower Range Blow Down)): آب سرریز یا زیرکشBlow down)) در برج خنک کننده به میزان آبی گفته می شود که به منظور حفظ شرایط آب (سختی آب، ذرات معلق و …) در محدوده ای معین از مخزن کولینگ تاور تخلیه می گردد.

Cycle Of Concentration / COC in Cooling tower

در کولینگ تاور به نسبت ذرات محلول در آب درون برج خنک کن به ذرات محلول در آب ورودی یا همان آب میکاپ گفته می شود. همانگونه که بیان شد ذرات معلق و محلول درون مدار برج خنک کن به همراه بخار از کولینگ تاور خارج نمی شوند و بنابراین به مرور زمان غلظت آنها افزایش می یابد. به همین دلیل نیز از طریق آب زیر کش یا همان آب بلو داون، باید مقدار این ذرات را به حد استاندارد و مناسبی رساند.

میزان سیکل تغلیظ یا Cycle Of Concentration در برج خنک کن صنعتی بستگی به شرایط آب و کاربری Cooling tower دارد ولی به صورت کلی عدد مناسب برای سیکل تغلیظ برج خنک کن بین 3 الی 8 می باشد.

با توجه به این نکات مشخص می شود که برای انتخاب یک برج خنک کن باید حتما از یک مشاور متخصص در این حوزه استفاده کرد تا پس از خرید کولینگ تاور، از نظر کارایی و عملکرد متحمل خسارت نگردید.

تناژ تبرید برج خنک کن چقدر است؟

در ابتدای این بحث باید مساله ای که متاسفانه در بازار تهویه و سرمایش به شدت رواج دارد را برای شما توضیح بدهیم. ظرفیت برج خنک کننده بر حسب تن تبرید، ارتباطی با ابعاد و اندازه آن ندارد و نباید در کاربرد صنعتی، تن تبرید برج خنک کننده را استعلام کنیم!

معنای این جمله این است که مثلا یک کولینگ تاور با ظرفیت 100 تن تبرید، می تواند از یک برج خنک کن 200 تن بزرگتر باشد.

قیمت ها و استعلام هایی که در بازار Cooling tower بر حسب تن تبرید، انجام می شود با فرض این است که برج خنک کن مورد نظر برای چیلر جذبی و یا تراکمی استفاده می شود که اختلاف دمای ورودی و خروجی آن 5 درجه سانتیگراد و دماهای آن هم مشخص است. به همین علت در برج خنک کن صنعتی که اختلاف دمای آب ورودی با خروجی کولینگ تاور معمولا از 10 درجه شروع می شود و در مواردی به بالای 30 درجه سانتیگراد میرسد، نمی توانید با استفاده از تن تبرید، اندازه برج خنک کننده و مدل آن را مشخص کنید. در این شرایط خریدارانی که بدون طراحی و مشخص کردن دبی آب در گردش و دمای رنج و اپروچ، برج خنک کن می خرند، در خط تولید دچار مشکل خواهند شد و در فصل تابستان نمی توانند به دمای دلخواه خود برسند.

توضیح بیشتر این است که به عنوان مثال یک برج خنک کن 500 تن تبرید که به روش سنتی از بازار خریداری شده باشد، برای اختلاف دمای 5 الی 7 درجه سانتیگراد و در شرایط آب و هوایی تهران می تواند ظرفیت کامل خود را داشته باشد. یعنی اگر مثلا دمای آب ورودی 45 الی 50 درجه و دمای آب خروجی کولینگ، 30 درجه باشد، دیگر آن برج نمی تواند در ظرفیت کامل خود کار کند و ممکن است ظرفیت کاری سرمایشش به تناژ تبرید کمتر از 250 برسد.

این موارد لزوم نیاز به طراحی و ارائه اطلاعات دقیق در طراحی را مشخص می کند.

ظرفیت برج خنک کن (کولینگ تاور) : به مقدار حرارتی که برج خنک کننده با عمل تبخیر از کولینگ واتر جذب می کند، ظرفیت سرمایش می گویند. ظرفیت نامی برج خنک کننده با ظرفیت واقعی و عملکردی آن تفاوت دارد.

واحد ظرفیت برج خنک کننده بر حسب کیلو وات یا تناژ تبرید است. هر کیلووات معادل 0.2843 تن تبرید است.

آیا برج خنک کننده در جنوب(خوزستان، هرمزگان) و شمال(مازندران و گیلان) هم کار می کند؟

یک سوال بسیار متداول این است که در شهرهای ساحلی یا جاهایی که نزدیک دریا و اقیانوس است، با وجود اینکه رطوبت خیلی بالاست آیا باز هم Cooling tower کار می کند. در پاسخ این سوال باید بگوییم بله. برج خنک کننده در شهر هایی با رطوبت نسبی 95 درصد هم کار می کند. البته دمای کولینگ واتر خروجی، از شهرهای خشک معمولا بیشتر است.

برای مثال اگر در مرداد ماه با برج خنک کن در کرمان بتوانید به دمای 25 درجه سانتیگراد برسید، هماننهایتا می تواند آب را تا 28 الی 29 درجه سانتیگراد خنک کند که این مشکل به خاطر رطوبت نسبی بالا است.