برج خنک کننده 400 تن فایبرگلاس

دراکثر کارخانجات کوچک و بزرگ  و در ساختمانهای مسکونی و تجاری بزرگ يکي از مهمترين و اساسي ترين دستگاه های موجود برج خنک کننده می باشد. برجهاي خنک کننده علاوه بر آب به منظور خنک کردن سيالاتي ديگر در تهویه مطبوع و صنعت  مورد استفاده قرار می گیرند.

براي ساخت کولینگ تاور تکنولوژي بالايي نياز نيست همانطور که درکشور عزیزمان  در حال حاضر ساخت اين برجها در حد وسيعي توسط بسیاری از کارخانجات و کارگاه های کوچک انجام می شود . برجهای خنک کننده با توجه به شرايط فيزيکي و شيميايي خاص خود دچار مشکلاتي و معایبی می گردند ولي معمولاٌ مدت  زماني که لازم است تا اين مشکلات برج خنک کننده را از کار بياندازد طولاني است.،اما پیشگیری  کامل از این مشکلات در سیستم های تبخیری مانند کولینگ تاور ها عملاٌ اجتناب ناپذير است.

برج خنک کننده دستگاهي است که با ايجاد سطح وسيع تماس آب با هوا ،تبخير آب را شدت بخشیده و به دلیل گرماگیر بودن فرایند تبخیر ،باعث خنک شدن سريع آب  سیستم کولینگ مي گردد.عمل خنک شدن در اثر از دست دادن گرماي نهان تبخير انجام مي گيرد، در حالي که مقدار کمي آب تبخير مي شود و باعث خنک شدن آب می شود. بايد توجه داشت آب مقداری از گرماي خود را به طريق تشعشع ،هدايتي وجابجايي و بقيه حرارت را  از راه تبخير از دست می‌دهد.

بيشتر سیستم های کولینگ تاور از يک مدار بسته تشکيل شده اند که آب در اين دستگاهها نقش جذب ، دفع و انتقال گرما را به عهده دارد، يعني گرمای  بوجود آمده توسط ماشين و یا هر فرایند مد نظر در صنعت مانند تزریق پلاستیک ،جذب و از دستگاه دور مي سازد. اين کار باعث ادامه کار يکنواخت و پايداري دستگاه مي شود.

در دستگاههايي که به دلايلي مجبوريم آب را بگردش در آوريم و يا به کار ببريم بايد بنحوي گرماي آب را دفع کرد. با بکار بردن برجهاي خنک کننده اين کار انجام مي گيرد. در تمام کارخانه ها تعداد زيادي دستگاههاي تبديل حرارتي (heat exchanger) وجود دارد که دراغلب آنها آب عامل سرد کنندگي است.

به دلایل زیر متداول ترین مبرد  در صنایع آب است:

1. معمولا زياد وارزان در دسترس مي باشد.

2. به آساني آب را مي توان مورد استفاده قرار داد

3. قدرت سرد کنندگي آب نسبت به اکثر lمایعات در حجم برابر بیشتر است

4. به غیر از فرایند انجماد ،انبساط و انقباض کلی در آب با تفاوت دما اندک است

هر چند که آب براي انتقال گرما بسيار مناسب است ، اما استفاده از آن باعث بوجود آمدن مشکلاتي نيز مي شود.

آب با سختي زياد باعث رسوب سازي در دستگاهها شده و همچنين از آنجايي که بيشتر اين دستگاهها از آلياژ آهن  و یا سایر فلزات ارزان و متداول ساخته شده اند مشکل خوردگي فلزی  بوجود مي ايد. از طرف ديگر بيشتر برجهاي خنک کننده در بر خورد مستقيم با هوا و نور خورشيد و اشعه یو وی مي باشند که طبیعتامحيط مناسبي براي رشد باکتريها و ميکرو ارگانيسم ها ماندد انواع جلبک  نيز مي باشد که آنها نيز مشکلاتي به همراه داشته و خوردگی و انسداد بیو لوژیک را موجب می گردند

وارد شدن گرد و خاک  و غبار به داخل برج نیزايجاد اشکال مضاعف در روند کارکرد برج خنک کننده مي نمايد.ضمن آنکه در سیستم های تبخیری میزان گاز های محلول در آب به ویژه اکسیژن و گاز کربنیک افزایش قابل ملاحظه ای داشته که به نوبه خود خوردگی و انسداد بیولوژیک با جلبک و باکتری های هوازی را موجب می شود .

در کل اين مشکلات باعث مي شود که بازدهی برج خنک کننده کاهش یافته و در نتيجه از نظر اقتصادي مخارج بالاتری را به کاربر تحمیل کند .

عموماً برجهاي خنک کننده (cooling tower) به سه گروه تقسيم مي شوند:

1. برجهاي خنک کننده مرطوب

2. برجهاي خنک کننده مرطوب- خشک

3. برجهاي خنک کننده خشک

در برجهاي خنک کننده مرطوب، آب نقش اصلي و اساسي را داشته و هدف نيز همان خنک کردن آب است. اين نوع دستگاهها که خود به چند گروه و دسته تقسيم مي شوند در صنعت داراي کاربرد فراواني است.

از يرجهاي خنک کننده خشک بيشتر در مکانهاي که آب کافي براي خنک کردن برج وجود ندارد استفاده مي شود. عمل خنک کردن آب را نيز ميتوان از برجهاي سيني دار بصورت مرحله اي انجام داد.ولي عملاً بعلت وجود هزينه هاي زياد ساخت ،نگهداري و کنترل سيستم اين روش ، معمول نمي باشد.

براي انجام عمليات خنک سازي آب مي توان از برجهاي آکنده و سيني دار استفاده نمود.با وجود اين در مواردي که فازهاي مورد نظر آب و هوا با شند بعلت فراواني و ارزان بودن فازهاي فوق بدلايلي که در بالا اشاره شد از دستگاههاي ديگري استفاده مي گردد که ساختن و نگهداري آنها مستلزم هزينه هاي زيادي نمي باشد. از اين جهت بيشتر دستگاههايي که در مقياس صنعتي بکار مي رود ساختمان و خصوصيات بسيار عمده ای  را دارا است که اينک به انواع مختلف اين دستگاهها اشاره مي شود.

برج خنک کننده : COOLING TOWER

برج خنک کن، دستگاهي است که با ايجاد سطح وسيعي در تماس آب با هوا ، عمل تبخير را آسان نموده و در نتيجه باعث خنک شدن سريع آب مي گردد.

عمل خنک شدن در اثر از دست دادن گرماي نهان تبخير انجام مي گيرد در حالي که مقدار کمي آب بخار مي شود و سبب خنک شدن آب مي گردد.بايد توجه داشت که آب مقدار اندکي از گرماي خود را از طريق تشعشع (Radiation) ودر حدود 4/1آن را از راه هدايت (Conduction) و جابجائي (Convection) و بقيه را از راه تبخير از دست می‌دهد.

اختلاف فشار بخار آب بين سطح آب و هوا باعث تبخير مي شود.اين اختلاف بستگي به دماي آب و ميزان اشباع هوا از آب دارد.

مقدار گرماي که بوسيله مايعي جذب يا دفع مي شود از رابطه زير بدست مي ايد :

E=W×S×ΔT

در رابطه بالا:

E :گرماي دفع يا جذب شده بر حسب BTU/hr يا CAL/hr

W :دبي مايع خنک شونده بر حسب lb/hr

S : گرماي ويژه مايع خنک کننده بر حسب lb.f/ Btu

ΔT :کاهش دماي مايع خنک شونده بر حسب f

در حاليکه عمل خنک شدن از طريق تبخير انجام مي گيرد گرماي نهان تبخير از دست داده شده بايد به آن اضافه گردد و آن برابر است با حاصل ضرب گرماي نهان تبخير در دبي .

مقدار تبخير بستگي دارد به سطح بر خورد آب با هوا و همچنين شدت جريان هوا دارد. براي اينکه حداکثر بهره برداري که در طرح آن بکار رفته است رعايت شود در برجهاي خنک کننده که آکنده هاي آن از نوع splash packing مي باشد آب به صورت قطره هاي در سطوح برج پخش مي شود تا سطح وسيعي بوجود ايد البته براي اين منظور مي توان از آکنه هایا پکینگ های نوع film packing نيز استفاده کرد.

جريان هوا در برج به صورت کشش طبيعي با استفاده از دودکش هاي هذ لولي شکل يا کشش مکانيکي بوسيله بادبزنهاي مناسب در جهت مخالف آب ( counter-flow) و يا به طور متقاطع (cross-flow) با آن به جريان مي افتد .

سيستم برج خک کننده:

در سيستم برج خنک کننده آب گرم کندانسورو یا آب مورد نظرجهت خنک شدن، از برج خنک کننده عبور مي کند و با هوا تماس مي يابد. در برجهاي خنک کننده با کشش طبيعي ،پوسته خارجي برج از بتن مسلح ساخته شده ودر روي پايه ها تکيه دارد . هوا از قسمت پائين وارد برج خنک کننده مي شود و به طرف بالا جريان مي يابد و از دهانه بالاي برج خارج مي گردد.

انواع ديگري از برجهاي خنک کننده که از چوب و ساير مصالح ساخته مي شود نيز وجود دارد.در برجهاي خنک کننده با کشش طبيعي هوا شکل برج طوري طراحي مي شود که جريان سريع هوا در داخل برج بوجود ايد.

آب گرم از کندانسور در ارتفاع 10 تا 15 متر بالاتر از سطح استخر به سيستم پخش کننده آب وارد مي شود . در برجهاي قديمي تر صفحه اي که آب خروجي از کندانسور به آن ريخته مي شود داراي سوراخهاي منظمي در قسمت پائين است که آب از داخل اين سوراخها به فنجانهاي زيرين مي ريزد. اين فنجانها باعث پاشش آب و تبديل آنها به قطرات کوچک مي شوند. يک سيستم خيلي جديد براي پخش آب در برج خنک کننده بکار بردن لوله هايي است که در سطح بالاي آن شيپوره ها یا ارفیس هایی  براي پاشش آب تعبيه شده است.

تبادل حرارت بين هواي بالارونده از برج و آبي که از برج سرازير است با تغيير حرارت محسوس در اثر اختلاف درجه حرارت بين آب و هوا انجام مي شود. سهم اين قسمت از تبادل حرارتي خيلي کم است و قسمت عمده تبادل در اثر تبخير مقدار کمي آب که پيوسته همراه هوا مي باشد،انجام مي شود. در اثر اين عمل مقدار زيادي گرما از آب سرازير شده در برج خنک کننده ( بستگي به مقدار آبي که تبخير شده است) به هوا منتقل مي گردد(Evaporating loss). ضمناً مقداري از قطرات آب بوسيله هوا به خارج از برج پراکنده مي شود(Windage loss). براي جلوگيري از خروج قطرات آب يک شبکه چوب در اطراف برج و حدود 3 متر بالاتر از توده تخته ها قرار دارد که به آن قطره گیر یا الیمیناتور(Drift Eliminator) می گویند. کمبود آب تبخير شده در سيستم برج خنک کننده بايد از منبع خارجي جبران شود که به آن ،آب تکميلي يا آب جبراني (Makeup) گويند . براي اين منظور در صورت امکان از نزدیکترین منبع آب شیرین در دسترس مانند آب رودخانه،چاه،آب شهر ویا آب سختی گیری شده استفاده می شودو يا فاضلابها را تا حد امکان صاف و تصفيه کرده و جایگزین منابع آب شیرین کرد

هنگاميکه از نظر فضاي ساختمان برج خنک کننده محدوديتي وجود داشته باشد ظرفيت برج خنک کننده راتا حد امکان با استفاده از بلوورهای  مخصوص و بزرگي اضافه مي نمايند. اين بادبزنها مقدار عبورهوای  خنک کننده در داخل برج را به شدت افزایش می دهند .

عوامل مؤثر در طراحي برجهاي خنک کننده :

عوامل مؤثر در طراحي برجهاي خنک کننده را بطور خلاصه مي توان بصورت زير بيان کرد :

1. ميزان افت درجه حرارت (اختلاف دماي ورودي وخروجي برج)دلتا t

2. اختلاف بين درجه حرارت آب سرد و درجه حرارت مرطوب هوا

3. دماي مرطوب محيط : اصولاً خنک کردن آب زير اين دما غير ممکن است .

4. شدت جريان آب

5. شدت جريان هوا

6. نوع آکنه هاویا پکینگ هایبرجخنک کننده

7. روش پخش آب و آرایش افشانه ها

براي هر 10 درجه فارنهايت افت دما در برج خنک کننده ميزان تبخير در حدود يک درصد کل آب در حال گردش مي باشد .

چون نمک هاي کلرور حلاليت زيادي دارند غلظت يون کلر در آب ورودي به برج وآب در حال گردش راهنماي بسيار خوبي براي تعيين غلظت بوده و بنابراين هميشه بايد آنرا بازديد و بررسي نمود .و یا از پارامتر هایی مانند کل املاح محلول (tds)و یا ضریب هدایت الکتریکی آب استفاده نمود

افزايش غلظت مواد محلول و مواد معلق در آب در حال گردش در برج خنک کننده ايجاد اشکال  و انسداد و رسوب مي کند که براي جلوگيري از افزايش غلظت مواد محلول و مواد معلق مقداری از آب در حال گردش را تخليه مي کنند که اين آب در صنعت به زير آب (Blow down) معروف است .بلودان یا درین آب برج خنک کننده باید حد اقل به میزان ده درصد آب مصرفی یا میکاپ آب برج باشد.

مقدار آب برج همچنين ممکن است تصادفي يا بوسيله باد تقليل يابد . اصولاً در برجهاي خنک کننده مقداري آب بصورت گرد و قطرات مه درآمده و توسط باد يا کشش و یا جریان هوای بلوور ها از برج خارج مي شود .

مقدار تخليه لازم در يرج براي کنترل مواد محلول و معلق مجاز را مي توان از رابطه زير بدست آورد :

M=(B+W)*C

که در رابطه فوق

B : مقدار زير آب بر حسب gal/hr ياm3/hr

E : مقدار آب تبخير شده بر حسب gal/hr يا m3/hr

C : ضريب غلطت پيشنهاد شده براي برج

W : مقدار آبي که توسط باد خارج مي شود بر حسب gal/hr يا m3/hr

مقدار آبي که باد همراه خود از برج خارج مي سازد در رابطه بالا منفي است ،زيرا آب مواد محلول و معلق را نيز با خود مي برد . بنابراين تاثير در غلظت و بالا بردن املاح آب ندارد .

مقدار آب لازم جهت آب کسري برج از رابطه زير بدست آورد :

MAKE UP = E +B + W

اطلاعاتي که از طرف خريداران در اختيار فروشندگان قرار مي گيرد در طرح برج اهميت فراواني دارد . مانند اختلاف دما ، مقدار آب در حال گردش ،مقدار زير آب یا بلودان یا درین مورد نیاز کولینگ تاور

کمبود آب در اثر تبخير و باد را با استفاده از رابطه هاي بالا بررسي مي کنند .

اجزای اصلي برج خنک کننده:

 الف) لوله ها و پکینگ ها

شامل قسمتهاي هستند که درجريان انتقال حرارت دخالت داشته در ضمن باعث مي شود که مقدار آب گرد شده که همراه باد خارج مي شود کم شده و از خروج آنها از برج جلوگيري شود.همچنين نگهدار خوبي براي قسمتهاي ديگر برج مي باشد . در مورد مشخصات آکنه ها در همين فصل توضيح داده خواهد شد.

ب)حوضچهیا مخزن برج خنک کننده

حوضچه در پائين برج قرار دارد که آب خنک کننده در آن جمع مي گردد.به حوضچه يک جريان بنام آب تکميلي يا آب جبراني (MAKE UP) وارد مي شود و يک جريان براي استفاده در دستگاههاي تبادل حرارت از آن خارج مي گردد .علاوه بر جمع آوري آب در حوضچه ،آب قبل از اينکه به سمت کندانسور پمپ شود صاف نيز مي گرددکه این کار به وسیله یک صافی فلزی انجام می گردد .

حوضچه هاي برجهاي بزرگ و مفيد از بتن ساخته شده اند .عموماً اين حوضچه ها طوري طراحي مي شوند که برج بدون اضافه کردن آب جبراني مي تواند براي چندين ساعت کار کند .

از زهکش براي برطرف کردن لجن ته نشين شده و کنترل سطح آب در حالتي که جريان موج دار که در کف قرار دارد ترک مي کند و به ميان سرندي که از ورود اشغال تجمع يافته به ورودي پمپ جلوگيري مي کند ،مي ريزد .زهکش در واقع یک خروجی از قسمت پایین حوضچه با فیلتر مضاعف به سمت مکش پمپ های کولینگ تاور می باشد

پ)فن برج خنک کننده

در برجهاي خنک کننده با کشش مکانيکي باد بزنهاي نصب مي شوند تا جريان هواي لازم را جهت عبور از آکنه ها توليد نمايد .بادبزنها در برجهاي خنک کننده با کشش مکانيکي کاربرد دارند . توضيح در اين مورد ضرورتي ندارد و به همين مقدار اکتفا مي شود

ت) حذف کننده ها

اين وسيله از خارج شدن قطرات آب بوسيله کشش هوا از برج جلوگيري بعمل مي آورد . تيغه ها معمولاًطوري نصب مي شوند که با سطح افق زاويه اي در حدود 45 درجه بسازد .جنس اين تيغه ها از چوب ، فلز يا پلاستيک ممکن است ساخته شده باشند .درباره کشش و حذف کننده هاي کشش بعداً مفصلاً توضيح داده خواهد شد .

ث) پکینگ ها

دو نوع پکینگ  که در برجهاي خنک کننده ممکن است مورد استفاده قرار گيرد عبارتند از :

1. SPLASH PACKING

2. FILM PACKING

البته در انواع قدیمی شبکه های فلزی در برج های خنک کننده به جای پکینگ های فعلی مورد استفاده قرار می گرفت که در حال حاضر تقریبا منسوخ شده

1. SPLASH PACKING :

در اين نوع پکینگ ها، آب بر اثر برخورد با تيغه ها پخش و به صورت قطره قطره در آمده که در نتيجه ايجاد سطح وسيع مي نمايد .از آنجايکه قطرات آب همراه پيوسته بوده و وزن سنگين دارند اين نوع دسته بندي ممکن است در اثر جريان دائمي از هم گسيخته گردد.

2. FILM PACKING :

در اين نوع پکینگ ها سطح وسيع از آب در اثر جريان آن در روي تيغه ها بوجود مي ايد . به طرق گوناگون مي توان چنين سطح وسيعي ايجاد کرد

a. GIRD PACKING

در اين نوع پکینگ ها  از يک سري شبکه هاي که معمولاً از چوب بوده و روي يکديگر قرار گرفته اند استفاده مي شود .اين شبکه ها طوري نصب گرديده که همراه هر شبکه با شبکه هاي اطراف خود زاويه 90 درجه مي سازند وباين شکل در سطوح شبکه ها پخش مي گردد .

b. RANDOM PACKING

اين نوع پکینگ ها موادی  با سطح تماس زياد درست شده که به طور نا منظم در داخل برج قرار دارند . يکي از دلايل نا مرغوب بودن اين نوع آکنه ها ايجاد مقاومت زياد در مقابل جريان هوا مي باشد . اين نوع آکنه ها داراي قسمتهاي حلقوي است که قطر هر حلقه با طول آن برابر است . اين حلقه ها از جنس هاي مختلفي يوده وسطح تماس آب با هوا را زياد مي کنند.

c. PLATE TYPE FILM PACKING

اين نوع پکینگ ها از صفحات نازک پلاستيکي چين دار ساخنه شده اند که با زاويه کمي کمتر از 90 درجه با سطح افق نصب شده اند. چين های روی  صفحات باعث بوجود امدن سطح زياد مي گردند .

پکینگ ها بايد طوری  انتخاب شوند تا هم سطح تماس آب و هوا براي نسبتهاي بالاي انتقال حرارت و انتفال جرم مناسب ياشند و هم مقاومت کمتری  در مقابل جريان هوا داشته باشند .پکینگ ها  بايد محکم ، سبک و در برابر خوردگي و خراب شدن مقاوم باشد.