برج خنک کننده (کولینگ تاور) چیست؟

نحوه عملکرد کولینگ تاور (برج خنک کننده)

اساساً دفع حرارت از جریان آب داغ ورودی به  برج خنک کننده مکعبی، بواسطه تبخیر مقداری از جریان آب صورت می گیرد. به نحوی که پس از تماس ایجاد شده میان آب و جریان طبیعی یا اجباری هوا درون برج، بخشی از آب در گردش، تبخیر شده و به این ترتیب دمای آب باقی مانده کاهش می یابد. به عبارت ساده تر، گرمای آب داغ ورودی از طریق فرایند تبخیر به جریان هوای عبوری منتقل شده و این چنین ضمن پایین آمدن دمای آب، گرمای نهان هوا و در واقع دمای مرطوب آن به شدت افزایش می یابد.

نمودار تغییرات دمایی در کولینگ تاور (برج خنک کننده)

بنابراین، میزان توانایی کولینگ تاور در کاهش دمای آب، بستگی به مقدار رطوبتی دارد که هوای ورودی به برج می تواند جذب کند. چنانکه کاهش دمای آب در  برج خنک کننده هیبریدی تا نزدیک به 3 درجه سانتی گراد بیشتر از دمای مرطوب هوای محیط، امکان پذیر خواهد بود.

به همین علت، عملکرد سیستم هایی مانند کولینگ تاور و کولر آبی که بر مبنای فرآیند سرمایش تبخیری کار می کنند، در محیطی با هوای مرطوب و شرجی، نمی تواند کارایی مناسبی داشته باشد.

اجزا و قطعات اصلی کولینگ تاور (برج خنک کننده)

اجزای اصلی تشکیل دهنده برج خنک کننده یا کولینگ تاور

برج خنک کننده از قسمت های مختلفی تشکیل شده است که مهم ترین آن ها عبارتند از:

• فن: مکانیزمی جهت جابجایی اجباری هوا درون  برج خنک کننده کراس فلو می باشد. یا از نوع محوری (مکنده) است که در بالای برج قرار می گیرد و یا از نوع سانتریفیوژ (دمنده) که در جلوی برج تعبیه می شود.

انواع فن بکار رفته در برج های خنک کننده

• نازل های آب پاش: نازل هایی نصب شده در کلکتور آب ورودی به برج، که جریان آب داغ واردشده را بر روی پکینگ ها توزیع می کنند. اتمیزه شدن آب توسط نازل ها، علاوه بر پراکندگی بهتر آن روی سطوح پکینگ، منجر به کاهش فشار آب شده که دمای تبخیر آن را پایین می آورد. ضمن آنکه با تبدیل شدن آب به قطرات متعدد، سطح تماس میان آب و هوا نیز افزایش می یابد.

نازل های آب پاش در برج های خنک کننده

• پکینگ: عاملی است جهت افزایش سطح تماس میان آب و هوا که منجر به تشدید فرایند تبخیر می شود. به طوری که پس از پاشش آب توسط نازل ها، آب به صورت لایه های نازک در سطوح پکینگ، کاملاً پخش شده و این چنین در تماس با هوای بیشتری قرار می گیرد. علاوه بر این، بواسطه به تله افتادن آب درون پکینگ، زمان بیشتری برای تبخیر آن به وجود خواهد آمد.

در واقع پکینگ در کولینگ تاور نوعی مبدل حرارتی به حساب می آید.

نوعی پکینگ بکار رفته در برج های خنک کننده

• پورت آب جبرانی: متصل به شناوری است که با پایین آمدن سطح آب درون تشتک برج (ناشی از تبخیر و تخلیه آب) آب جبرانی را تغذیه می کند. اساس کار شناور متصل به این پروت دقیقا مشابه شناور در کولرهای آبی است. زمانی که سطح آب داخل تشتک کاهش می یابد، شناور به سمت پایین حرکت می کند و آب بیشتری به داخل کولینگ تاور وارد می شود و بالعکس، زمانی که سطح آب داخل تشتک افزایش می یابد، شناور بر اساس قانون شناوری پاسکال، به سمت بالا حرکت می کند و مسیر آب ورودی به داخل تشتک را محدود تر می کند. در واقع وظیفه شناور و پورت آب جبرانی این است که سطح آب داخل تشتک برج خنک کننده را در سطح بهینه ای حفظ کند.

شناور آب جبرانی در کولینگ تاور

• پورت آب سر ریز: در صورت خرابی شناور و عمل نکردن آن هنگام پر شدن تشتک برج، از طریق این پورت، آب اضافی از تشتک سرریز می شود. چراکه در صورت تجمع بیش از حد برج و رسیدن سطح آب به پکینگ ها، عملکرد برج خنک کننده دچار اختلال می شود.
• پورت آب تخلیه: با توجه به ارتباط مستقیم آب با هوا و در نتیجه کثیف شدن آن، آب آلوده شده از طریق این پورت تخلیه شده و بوسیله پورت آب جبرانی، آب تمیز جایگزین می شود. پورت آب تخلیه همواره در پایین ترین قسمت از تشتک کولینگ تاور نصب می شود.
• پورت آب داغ ورودی: محل ورود آب داغ به برج خنک کننده می باشد. این آب داغ می تواند از خروجی کندانسور چیلر تراکمی آب خنک و یا خروجی کندانسور یک چیلر جذبی باشد که حامل گرمای جذب شده از داخل ساختمان هستند.
• پورت آب سرد خروجی: محل خروج آب سرد از برج خنک کننده می باشد، در واقع آب سرد شده مجددا در دستگاه یا سیستم مورد نظر مورد استفاده قرار می گیرد.

در شکل زیر می توانید انواع پروت ها در کولینگ تاور را مشاهده کنید.

انواع پورت ها در کولینگ تاور

انواع برج خنک کننده (کولینگ تاور)

در مجموع، برج های خنک کننده را می توان در دو دسته مجزا بررسی نمود:

• برج خنک کننده (کولینگ تاور) مدار باز
• برج خنک کننده (کولینگ تاور) مدار بسته

دسته بندی انواع برج خنک کننده

پیشنهاد مطالعه :

کولینگ تاور (برج خنک کننده) مدار باز

در کولینگ تاور مدار باز، جریان آبی که بایستی خنک شود در تماس مستقیم با هوا قرار می گیرد. به نحوی که جریان آب به قسمت بالای برج هدایت گشته و از طریق نازل های آب پاش بر روی پکینگ ها توزیع می شود. آب به صورت لایه های بسیار نازک روی سطوح پکینگ پخش شده و در نتیجه سطح تماس بسیار بزرگی با جریان هوای عبوری ایجاد می گردد. هوا از دو طریق آب را خنک می کند. بخشی از گرمای آب به واسطه انتقال حرارت (در صورت کمتر بودن دمای خشک هوا نسبت به دمای آب ورودی) دفع می شود، اما بخش اصلی خنک کاری آب ناشی از فرآیند تبخیر می باشد. نهایتاً هوای اشباع شده، از بالای برج در اتمسفر تخلیه می گردد و از طرف دیگر آب سرد انباشته شده در تشتک نیز از پایین برج خارج می شود.

قطره گیرهایی در بالای نازل های آب پاش تعبیه می شوند تا از عدم خروج قطرات آب به بیرون از برج خنک کننده، اطمینان حاصل شود.

تصویر شماتیک عملکرد برج خنک کننده مدار باز

به لحاظ چگونگی ایجاد جریان هوا، دو نوع کولینگ تاور یا برج خنک کننده مدار باز تعریف می شوند:

برج خنک کننده با جابجایی اجباری هوا: جریان هوا توسط عاملی خارجی، به شیوه جابجایی اجباری (Forced convection) در برج خنک کننده به وجود می آید. چنانکه به کمک فن های محوری یا سانتریفیوژ تعبیه شده، هوا درون برج خنک کننده به جریان می افتد.

برج خنک کننده با جابجایی طبیعی هوا: جریان هوا از طریق فرایند جابجایی طبیعی (Natural convection) و به واسطه ارتفاع زیاد برج خنک کننده، بدون وجود هیچ گونه نیروی خارجی ایجاد می شود. به مانند بسیاری از برج های نیروگاهی که از چنین روشی در ساخت آن ها استفاده می گردد.

برج های خنک کننده مدار باز، با هر نوع جابجایی هوا، به دو شکل طراحی می شوند:

جریان مخالف (Counter flow): در این نوع برج های مدار باز، امتداد جریان ذرات آب و هوای عبوری یکسان، اما جهت آن ها مخالف یکدیگر است.

تصویر شماتیک عملکرد برج خنک کننده مدار باز با جریان مخالف

در ویدئو زیر می توانید انیمیشن عملکرد برج خنک کننده مدار باز با جریان مخالف را مشاهده کنید.

انمیشن برج خنک کننده مدار باز با جریان مخالف

جریان متقاطع (Cross flow): در این نوع برج های مدار باز، امتداد جریان ذرات آب و هوای عبوری عمود بر یکدیگر می باشند.

تصویر شماتیک عملکرد برج خنک کننده مدار باز با جریان متقاطع

در ویدئو زیر می توانید انیمیشن عملکرد برج خنک کننده مدار باز با جریان متقاطع را مشاهده کنید.

انمیشن برج خنک کننده مدار باز با جریان متقاطع

پیشنهاد مطالعه : کندانسور تبخیری

کولینگ تاور (برج خنک کننده) مدار بسته

در کولینگ تاورهای مدار بسته، بین جریان آبی که بایستی خنک شود و جریان هوای عبوری، هیچ گونه تماس مستقیمی وجود ندارد. چنانکه مبدل حرارتی دیگری (کویل) داخل برج تعبیه شده که جریان آب مورد نظر از درون آن عبور می کند. جریان آب دیگری از تشتک به قسمت بالای برج هدایت گشته و از طریق نازل های آب پاش بر روی لوله های کویل توزیع می شود. به این ترتیب، مقداری از ذرات اتمیزه شده آب، در اثر برخورد با سطح داغ لوله ها، تبخیر شده  و باعث کاهش دمای آب درون لوله ها می گردد. جریان هوای عبوری از روی کویل نیز شرایط را برای تبخیر بهتر ذرات آب فراهم می کند. به طوری که باعث می شود، هوای اشباع شده از برج خارج و هوای خشک و تازه جایگزین آن شود. البته کمتر بودن دمای خشک هوا در مقایسه با دمای سطح لوله ها، به خنک کردن آب درون لوله ها نیز کمک می کند.

تصویر شماتیک عملکرد برج خنک کننده مدار بسته

تفاوت کولینگ تاور با کندانسور؟

یکی از سؤالات رایج مشتریان این است که کولینگ تاورها یا برج خنک کننده مداربسته، عملکردی مشابه کندانسورهای تبخیری دارند، تفاوت اصلی آن ها کجاست؟!

اگرچه کولینگ تاورهای مدار بسته مانند کندانسورهای تبخیری از فرایند سرمایش تبخیری برای دفع حرارت استقاده می کنند، اما هیچ یک از کولینگ تاورهای مدار بسته، عمل چگالش گاز مبرد یا بخار آب را انجام نمی دهند؛ بلکه صرفاً دمای آب مایع را کاهش می دهند. بنابراین هدف از بکارگیری این دو دستگاه اساساً با یکدیگر متفاوت می باشد.

با توجه به تمیزی و خلوص بیشتر مبرد در مقایسه با آب، قطر لوله های کویل در کندانسورهای تبخیری که به منظور چگالش گاز مبرد استفاده می شوند، کمتر از کولینگ تاورهای مدار بسته می باشد