برج خنک کننده (کولینگ تاور)

برج خنک کننده یا کویلنگ تاور (Cooling tower) دستگاهی است که انرژی گرمایی یا همان حرارت را به محیط منتقل می کند. برج خنک کننده مبتنی بر فرآیند سرمایش تبخیری(Evaporative Cooling) است که به منظور تولید آب خنک مورد نیاز در صنایع مختلفی از جمله نیروگاه های تولید برق، پتروشیمی ها، تولید مواد غذایی کاربرد دارد. در صنعت تهویه مطبوع از کولینگ تاور برای تأمین آب خنک کاری لازم در چیلر آب خنک (چیلرهای تراکمی آبی) و چیلر جذبی استفاده می شود.

حال ممکن است این سوال برای شما پیش بیاید که سرمایش تبخیری چیست؟ برای درک بهتر این موضوع، می توانیم کولرهای آبی بکار رفته در سیستم سرمایشی منازل مسکونی را مثال بزنیم. در این کولرها از طریق جریان یافتن آب بر روی پوشال ها یا پدهای سلولزی و در نتیجه تبخیر آن توسط جریان هوای محیط، موفق به اجرای سرمایش تبخیری شده ایم. دقیقا همین اصل در رابطه با کولینگ تاور هم صادق است.

کولینگ تاورها انواع مختلفی دارند که در ادامه تهویه نگار به طور جامع آن ها را بررسی می کند.

نحوه عملکرد کولینگ تاور (برج خنک کننده)

اساساً دفع حرارت از جریان آب داغ ورودی به برج خنک کننده، 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.

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 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 برج خنک کننده (کولینگ تاور)

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

اجزای برج خنک کننده	وظیفه
فن	جابجایی جریان هوا
نازل های آب پاش	توزیع جریان آب بر روی پکینگ ها
پکینگ	تشدید فرآیند تبخیر
پورت آب جبرانی	جبران آب تشتک
پورت آب سر ریز	سر ریز آب تشتک در صورت خرابی شناور
پورت آب داغ ورودی	محل ورود آب داغ به برج خنک کننده
پورت آب سرد خروجی	محل خروج آب سرد از برج خنک کننده

• فن: مکانیزمی جهت جابجایی اجباری هوا درون برج خنک کننده 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.

• 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.

• 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 برج خنک کننده نوعی مبدل حرارتی به حساب می آید.

• 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.

• 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 برج خنک کننده (کولینگ تاور)

برج خنک کننده در بازار تهویه مطبوه و برودت صنعتی بر اساس سه فاکتور اصلی دسته بندی می شود:

• نوع مدار طراحی
• جنس بدنه
• شکل ظاهری

شکل زیر دسته بندی انواع کولینگ تاور بر اساس این سه عامل را به خوبی نشان داده است.

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

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

پیشنهاد مطالعه : کندانسور آبی ( آب خنک)

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.

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. 

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

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

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

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.

انواع برج خنک کننده از لحاظ جنس بدنه

دسته بندیِ دیگری برای انواع برج خنک کننده وجود دارد که بر مبنای جنس بدنۀ آنها تعریف می شود. به این ترتیب که برج های خنک کننده یا فلزی هستند یا فایبر گلاس. در بازار تهویه مطبوع و سرمایش صنعتی، فولاد ضد زنگ و فایبرگلاس محبوب ترین مواد مورد استفاده برای ساخت برج های خنک کننده هستند. هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند، اما کدام یک برای دستگاه شما مناسب است؟ در ادامه به بررسی این موضوع خواهیم پرداخت.

برج خنک کنندۀ فلزی

بدنۀ برج های خنک کنندۀ فلزی از ورق فولاد ضد زنگ (304 یا 316L) ساخته می شود. عنصر اصلی آلیاژی در این نوع فولاد، کروم و نیکل هستند. همه می دانند که فولاد ضد زنگ (استیل) قوی، بادوام و ماندگار است. ماهیت قوی آن به این معنی است که ماده ای با طول عمر بالا بوده و کمتر نیاز به ترمیم پیدا می کند و می تواند درخشندگی خود را برای سال های زیادی حفظ کند. اما آیا این برای برج خنک کنندۀ شما مناسب است؟

مزایا و معایب کولینگ تاور فلزی در جدول زیر ذکر شده است:

مزایا و معایب برج خنک کننده فلزی
مزایا	معایب
استحکام بسیار بالا	وزن زیاد
مقاومت خوب در برابر مواد خورنده و رطوبت	قیمت بالا
مقاوم در برابر ضربه و ترک خوردن
ظاهر زیبا به دلیل صیقلی بودن

مزایا:

– فولاد ضد زنگ بسیار مستحکم است. این یک مزیت برای کسانی است که می خواهند بارهایی مانند لوله کشی را روی برج خنک کننده وارد کنند. همچنین می توان نردبان ها را بدون ترس از آسیب یا خطر برای کارگرانی که از آن استفاده می کنند به سازه متصل کرد.

– بر خلاف فایبرگلاس (FRP)، فولاد ضد زنگ خزش، افتادگی یا خراب شدن ندارد. همچنین با گذشت زمان خواص خود را از دست نداده و تغییر شکل نمی دهد. این موضوع به این دلیل است که فولاد ضد زنگ در مقایسه با FRP در برابر سطوح pH بالا و پایین مقاومت بیشتری دارد. با نگهداری و مراقبت مناسب، برج فولادی ضد زنگ می تواند در تمام روزهای زیر بار، استحکام کافی داشته باشد.

– برج فولادی ضد زنگ تقریبا هرگز ترک نخواهد خورد. فولاد ضد زنگ از آنجایی که چنین ماده بادوامی است، در معرض آسیب ناشی از جابجایی یا ضربه نیست. در صورتی که چیزی به بدنۀ برج برخورد کند، به جای شکستن، فرو می رود. این بدان معنی است که حتی در صورت آسیب جزئی، برج خنک کننده همچنان در شرایط کار خواهد بود.

– سطح صیقلی و براق فولاد ضد زنگ، ظاهر زیبایی را برای برج خنک کننده ایجاد می کند.

– فولاد ضد زنگ مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارد. تشکیل اکسید کروم در سطح مقاطع فولادی و در تماس با اکسیژن هوا، موجب حفاظت مقاطع استیلی در برابر رطوبت و مواد خورنده می‌شود.

معایب:

– در موارد نادر، وزن اضافی یک برج فولادی ضد زنگ می تواند یک نقطه ضعف باشد. به عنوان مثال، زمانی که قرار است برج خنک کننده بر روی سقف نصب شود و استحکام سقف به لحاظ تحمل وزن زیاد، محدودیت هایی دارد.

– در مقایسه با برج های فایبر گلاس، برج های استیل گرانتر هستند.

برخی از تولیدکننده ها از ورق گالوانیزه نیز برای ساخت برج های فلزی استفاده می کنند. البته، مقاومت گالوانیزه در برابر خوردگی و نیز استحکام مکانیکی آن به اندازۀ فولاد ضد زنگ نیست

برج خنک کننده فایبرگلاس

پلاستیک تقویت شده با فایبرگلاس یا FRP، یک ماده مقرون به صرفه است که در بین بسیاری از تولید کنندگان محبوب است. فایبرگلاس یا الیاف شیشه یکی از غالب ترین الیافی است که در صنعت پلیمرهای تقویت شده مورد استفاده قرار می گیرد. اما آیا این برای برج خنک کننده فایبرگلاس برای پروژه شما مناسب است؟ این موضوع خیلی بستگی به شرایط و بودجۀ خریدار دارد.

جدول زیر، مزایا و معایب کولینگ تاوری های فایبرگلاس را ذکر کرده است.

مزایا و معایب برج خنک کننده فایبرگلاس
وزن کمتر و سبک بودن	ضعف در برابر ضربه
مقاومت خوب در برابر خوردگی	هزینه بالای تعمیرات
رسانایی گرمایی کم	افتادگی و تغییر شکل در طول زمان
قابلیت کارکرد در محیط با امواج الکترومغناطیس بالا
قیمت کمتر از نوع فلزی

مزایا:

– برج خنک کنندۀ FRP سبک تر از برج های فولادی ضد زنگ است. در موقعیت جایگزینی که یک برج قدیمی در یک مکان نامطمئن است – برای مثال بر روی پشت بام – وزن خشک یک برج FRP به اندازه کافی سبک است که بتوان آن را به محل مورد نیاز حمل کرد.

– برج فایبرگلاس مقاومت مناسبی در برابر خوردگی دارد و از این رو می‌تواند در برابر آب شور یا حاوی اسید، مقاومت خوبی داشته باشد.

– میزان هدایت حرارتی فایبرگلاس در مقایسه با فولاد ضد زنگ بسیار پایین تر است. در نتیجه، رساناییِ گرمای بدنۀ برج فایبر گلاس کمتر می باشد.

– از بدنه فایبرگلاس می‌توان در محیط‌هایی که دارای امواج الکترومغناطیس بالا هستند، استفاده کرد.

– برج خنک کنندۀ فایبرگلاس نسبت به برج استیل ارزانتر است.

معایب:

– بر خلاف فولاد ضد زنگ،FRP  به خوبی در برابر ضربه مقاومت نمی کند. همان برج جدید فایبرگلاسی که قرار است در جای خود نصب شود، ممکن است در حین حمل به طور تصادفی به دیوار یا کامیون برخورد کند و بدنه اش دچار ترک خوردگی گردد. اگر این اتفاق بیفتد، تعمیرات فایبرگلاس هزینۀ زیادی بهمراه خواهد داشت.

– برج های خنک کننده دائماً گرم هستند و آب همیشه کلردار می شود و در معرض اشعه های مضر UV قرار دارد. این باعث خزش FRP  می شود – به این معنی که خود ماده خواص خود را از دست داده و در طول زمان تغییر شکل می دهد. هنگامی که این اتفاق می افتد، ممکن است برج بر اثر وزن آب گرم دچار افتادگی شود. متأسفانه، این ایراد قابل تعمیر نبوده و تنها راه حل تعویض کل برج است. 

انواع فن در کویلنگ تاور

برخی از متخصصین حوزه تهویه، برج های خنک کننده را بر اساس نوع فن بکار رته در آن ها نیز دسته بندی می کنند که البته چندان در بازار مرسوم نیست. به این ترتیب که برج های خنک کننده یا از فن های محوری استفاده می کنند یا از فن های سانتریفیوژ که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند، اما کدام یک می تواند عملکرد بهتری داشته باشد؟ در این بخش ما به بررسی ویژگی های هر نوع فن در ساختار برج خنک کننده خواهیم پرداخت.

فن محوری:

فن محوری نوعی فن است که باعث می‌شود گاز در جهت محوری و به موازات محوری که پره ها به دور آن می‌چرخند، جریان یابد. جریان در ورود و خروج، محوری است. فن به گونه ای طراحی شده است که اختلاف فشار و در نتیجه نیرو ایجاد کند تا جریان از طریق فن شکل بگیرد. عواملی که عملکرد فن را تعیین می کنند عبارتند از تعداد و شکل پره ها.

فن های محوری کاربردهای زیادی از جمله در تونل های باد و برج های خنک کننده دارند. پارامترهای طراحی شامل توان، سرعت جریان، افزایش فشار و راندمان است. فن های محوری معمولاً دارای پره های کمتری (دو تا شش) نسبت به فن های سانتریفیوژ هستند و غالباً شعاع بزرگتر و سرعت کمتری (ω) نسبت به فن های کانالی دارند.

فن سانتریفیوژ:

فن سانتریفیوژ وسیله ای مکانیکی برای حرکت هوا یا سایر گازها در جهتی با زاویه نسبت به سیال ورودی است. فن های سانتریفیوژ اغلب شامل یک محفظه برای هدایت هوای خروجی در یک جهت خاص هستند. فن سانترفیوژ، فن دمنده یا فن قفس سنجابی نیز نامیده می شود (زیرا شبیه چرخ همستر است).

این فن ها هوا را از ورودی چرخشی فن به یک خروجی منتقل می کنند. آنها معمولاً در کاربردهای کانالی برای عبور هوا در طول کانال و یا عبور از روی مبدل حرارتی استفاده می شوند. به همین علت یکی از کاربردهای اصلی آنها استفاده در دستگاه های هوارسان می باشد.

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.

فروش و استعلام قیمت انواع کولینگ تاور مدار باز و مدار بسته

گروه صنعتی تهویه نگار، متخصص در طراحی و عرضه مناسب ترین سیستم های برودتی و تهویه مطبوع، مطابق با نیاز واقعی مشتری و امکانات مالی کارفرمایان محترم، آماده ارائه انواع کولینگ تاور یا برج خنک کننده (مدار باز و مدار بسته) در ظرفیت های مختلف می باشد.

کولینگ تاورهای عرضه شده در شرکت تهویه نگار در عمده شهرهای ایران از جمله تهران، اصفهان، رشت، یزد، مشهد، شیراز، کرج، هرمزگان، کرمان و سایر نقاط ایران به خوبی نیاز کارفرمایان را در پروژه های موردنظر با مناسب ترین هزینه تأمین کرده اند.

جهت کسب اطلاعات بیشتر و نیز دریافت مشخصات فنی کامل و استعلام قیمت، با گروه صنعتی تهویه نگار تماس حاصل فرمائید. شایان ذکر است؛ فروش تمامی محصولات این مجموعه در سراسر کشور امکان پذیر خواهد بود.

کارشناس فروش( عمادی) 09904494274