مقالات تخصصي تاسيسات



موضوع مقاله

برج خنک کننده :

متن :

در اکثر کارخانجات کوچک و بزرگ يکي از مهم‌ترين و اساسي‌ترين دستگـاه‌ها مي‌توان انواع برج‌هاي خنک کننده را نام برد.
برج‌هاي خنک کننده علاوه بر آب به منظور خنک کردن سيالاتي ديگر در صورت لزوم مورد استفاده واقع مي‌شوند.
با توجه به اينکه برج‌هاي خنک کننده معمولاً حجيم مي‌باشند و به علت پاشيدن آب در محيط اطراف خود و خرابي تجهيزات آن را معمولاً در انتهاي فرايند نصب مي‌کنند.
اگراز وسايل برج‌هاي خنک کننده صرف نظر نشود براي ساخت برج تکنولوژي بالايي نياز نيست همان طور که در ايران در حال حاضر ساخت اين برج‌ها در حد وسيعي صورت مي‌گيرد. برج‌ها با توجه به شرايط فيزيکي و شيميايي خاص خود دچار مشکلاتي مي‌شوند ولي معمولاٌ زماني لازم است تا اين مشکلات برج را از کار بياندازد طولاني است ولي عملا اجتناب ناپذير است.


پيشگفتار
برج خنک کننده دستگاهي است که با ايجاد سطح وسيع تماس آب با هوا تبخيررا آسان مي‌کند و باعث خنک شدن سريع آب مي‌گردد. عمل خنک شدن در اثر از دست دادن گرماي نهان تبخير انجام مي‌گيرد، در حالي که مقدار کمي آب تبخير مي‌شود و باعث خنک شدن آب مي‌گردد. بايد توجه داشت آب مقداري از گرماي خود را به طريق تشعشع، هدايتي و جابجايي و بقيه از راه تبخير از دست مي‌دهد.

بيش‌تر برج‌هاي خنک کننده از يک مدار بسته تشکيل شده‌اند که آب در اين دستگاه‌ها نقش جذب، دفع و انتقال گرما را به عهده دارد، يعني گرماي بوجود آمده توسط ماشين جذب و از دستگاه دور مي‌سازد. اين کار باعث ادامه کار يکنواخت و پايداري دستگاه مي‌شود.

در دستگاه‌هايي که به دلايلي مجبوريم آب را به گردش در آوريم و يا به کار ببريم بايد به نحوي گرماي آب را دفع کرد. با بکار بردن برج خنک کننده اين کار انجام مي‌گيرد. در تمام کارخانه ها تعداد زيادي دستگاه‌هاي تبديل حرارتي وجود دارد که در بيش‌تر آن‌ها آب عامل سرد کنندگي است.

بدلايل زير آب معمول‌ترين سرد کننده است:
1- به مقدار زياد و ارزان در دسترس مي‌باشد.
2- سهولت استفاده.
3- قدرت سرد کنندگي آب نسبت به اکثر مايعات (در حجم باربر) بيش‌تر است.
4- انقباض و انبساط آب با تغيير درجه حرارت جزيي است.


هر چند که آب براي انتقال گرما بسيار مناسب است با بکار بردن آن باعث بوجود آمدن مشکلاتي نيز مي‌شود. آب با سختي زياد باعث رسوب سازي در دستگاه‌ها شده و همچنين از آنجايي که بيش‌تر اين دستگاه‌ها از آلياژ آهن ساخته شده‌اند مشکل خوردگي بوجود مي‌آيد. از طرف ديگر بيش‌تر برج‌هاي خنک کننده در بر خورد مستقيم با هوا و نور خورشيد مي‌باشند محيط مناسبي براي رشد باکتري‌ها و ميکرو ارگانيسم‌ها نيز مي‌باشند که آن‌ها نيز مشکلاتي همراه دارند.

وارد شدن گرد و خاک داخل برج نيز در بعضي مواقع ايجاد اشکال مي‌نمايد. در کل اين مشکلات باعث مي‌شود که بازدهي دستگاه کم شده و در نتيجه از نظر اقتصادي مخارج زيادتري خواهند داشت.


عموماً برج‌هاي خنک کننده (Cooling Tower) را به سه گروه تقسيم مي‌کنند:

1- برج‌هاي خنک کننده مرطوب
2- برج‌هاي خنک کننده مرطوب- خشک
3- برج‌هاي خنک کننده خشک

در برج خنک کننده‌ي 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 برج خنک کننده خشک بيش‌تر در مکان‌هايي که آب کافي براي خنک کردن برج وجود ندارد استفاده مي‌شود. عمل خنک کردن آب را نيز مي‌توان از برج‌هاي سيني‌دار بصورت مرحله‌اي انجام داد. ولي عملاً بعلت وجود هزينه‌هاي زياد ساخت، نگهداري و کنترل سيستم اين روش معمول نمي‌باشد.


بررسي برج خنک کننده و اجزاي آن
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 مي‌گردد.
عمل خنک شدن در اثر از دست دادن گرماي نهان تبخير انجام مي‌گيرد در حالي که مقدار کمي آب بخار مي‌شود و سبب خنک شدن آب مي‌گردد. بايد توجه داشت که آب مقدار اندکي از گرماي خود را ازطريق تشعشع و در حدود 1/4 آن را از راه هدايت و جابجايي  و بقيه را از راه تبخير از دست مي‌دهد.
اختلاف فشار بخار آب بين سطح آب وهوا باعث تبخير مي‌شود. اين اختلاف بستگي به دماي آب و ميزان اشباع هوا از آب دارد.
مقدار تبخير بستگي به سطح برخورد آب با هوا و همچنين شدت جريـان هوا دارد. براي اينکه حداکثر بهره برداري که در طرح آن به کار رفته است رعايت شود در برج خنک کننده که آکنه‌هاي آن از نوع Splash Packing مي‌باشد آب به صورت قطره‌هايي در سطوح برج پخش مي‌شود تا سطح وسيعي به وجود آيد البته براي اين منظور مي‌توان از آکنه‌هاي نوع Film Packing نيز استفاده کرد.
جريان هوا دربرج به صورت کشش طبيعي با استفاده از دودکش‌هاي هذلولي شکل يا کشش مکانيکي بوسيله بادبزن‌هاي مناسب در جهت مخالف آب (Counter Flow) و يا به طور متقاطع (Cross Flow) با آن به جريان مي‌افتد.
   

سيستم برج خنک کننده:
در سيستم برج خنک کننده آب گرم کندانسور از برج خنک کننده عبور مي‌کند و با هوا تماس مي‌يابد. در برج‌هاي خنک کننده با کشش طبيعي، پوسته خارجي برج از بتن مسلح ساخته شده و در روي پايه‌ها تکيه دارد. هوا از قسمت پايين وارد برج خنک کننده مي‌شود و به طرف بالا جريان مي‌‌يابد و از دهانه‌ي بالاي برج خارج مي‌گردد.

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 مي‌شود. سهم اين قسمت از تبادل حرارتي خيلي کم است و قسمت عمده تبادل در اثر تبخير مقدار کمي آب که پيوسته همراه هوا مي‌باشد، انجام مي‌شود. 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 مي‌گردد. ضمنا مقداري از قطرات آب بوسيله هوا به خارج از برج پراکنده مي‌شود. براي جلوگيري از خروج قطرات آب يک شبکه چوب در اطراف برج و حدود 3 متر بالاتر از توده تخته‌ها قرار دارد. کمبود آب تبخير شده در سيستم برج خنک کننده بايد از منبع خارجي جبران شود که به آن «آب تکميلي» يا «آب جبراني» مي‌گويند. براي اين منظور در صورت امکان از آب رودخانه استفاده کرد يا فاضلاب‌ها را تا حد امکان صاف و تصفيه کرده و استفاده نمود.
هنگامي که از نظر فضاي ساختمان برج خنک کننده محدوديتي وجود داشته باشد ظرفيت برج خنک کننده را تا حد امکان با استفاده از بادبزن‌هاي مخصوص و بزرگي اضافه مي‌نمايند. اين بادبزن‌ها مقدار عبور هواي خنک کننده در داخل برج را زياد مي‌نمايد.


عوامل موثر در طراحي برج خنک کننده
عوامل موثر در طراحي برج خنک کننده را بطور خلاصه مي توان بصورت زير بيان کرد:

1- ميزان افت درجه حرارت (اختلاف دماي ورودي وخروجي برج)
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 آکنه‌هاي برج
7- روش پخش آب
 
به تجربه ثابت شده است که براي هر 10 درجه فارنهايت افت دما در برج خنک کننده ميزان تبخير در حدود يک درصد کل آب در حال گردش مي‌باشد.

افزايش غلظت مواد محلول و مواد معلق در آب در حال گردش در برج خنک کننده ايجاد اشکال مي‌نمايد که براي جلوگيري از افزايش غلظت مواد محلول و مواد معلق مقداري از آب در حال گردش را تخليه مي‌کنند که اين آب در صنعت به زير آب معروف است.

مقدار آب برج هم چنين ممکن است تصادفي يا بوسيله باد تـقليل يابد. اصولا در برج‌هاي خنک کننده مقداري آب به صورت گرد درآمده و توسط باد يا کشش از برج خارج مي‌شود.

مقدار تخليه لازم در برج براي کنترل مواد محلول و معلق مجاز را مي‌توان از رابطه زير بدست آورد:


M=(B+W)*C

B: مقدار زير آب بر حسب gal/hr يا m3/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 مي‌شود بر حسب gal/hr يا m3/hr


مقدار آبي که باد همراه خود از برج خارج مي‌سازد در رابطه بالا منفي است، زيرا آب مواد محلول و معلق را نيز با خود مي‌برد. 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


قسمت‌هاي اصلي برج خنک کننده:
الف) لوله‌ها و آکنه‌ها:
شامل قسمت‌هاي هستند که درجريان انتقال حرارت دخالت داشته در ضمن باعث مي‌شود که مقدار آب گرد شده که همراه باد خـارج مي‌شود کم شده و از خروج آن‌ها از برج جلوگيري شود. هم چنين نگهدار خوبي براي قسمت‌هاي ديگر برج مي‌باشد.

ب) حوضچه:
حوضچه در پايين برج قرار دارد که آب خنک کننده در آن جـمع مي‌گردد. به حوضچه يک جريان بنام آب تکميلي يا آب جبراني (Make Up) وارد مي‌شود و يک جريان براي استفاده در دستگاه‌هاي تبادل حرارت از آن خارج مي‌گردد. علاوه بر جمع آوري آب در حوضچه، آب قبل از اينکه به سمت کندانسور پمپ شود صاف نيز مي‌گردد. حوضچه‌هاي برج‌هاي بزرگ و مفيد از بتن ساخته شده‌اند. عموما اين حوضچه‌ها طوري طراحي مي‌شوند که برج بدون اضافه کردن آب جبراني مي‌تواند براي چندين ساعت کار کند.

ج) بادبزن‌ها:
در برج‌هاي خنک کننده با کشش مکانيکي باد بزن‌هايي نصب مي‌شوند تا جريان هواي لازم را جهت عبور از آکنه‌ها توليد نمايد. بادبزن‌ها در برج‌هاي خنک کننده با کشش مکانيکي کاربرد دارند.

د) حذف کننده‌ها:
اين وسيله از خارج شدن قطرات آب بوسيله کشش هوا از برج جلوگيري به عمل مي‌آورد. تيغه‌ها معمولا طوري نصب مي‌شوند که با سطح افق زاويه‌اي در حدود 45 درجه بسازند. جنس اين تيغه‌ها از چوب، فلز يا پلاستيک ممکن است ساخته شده باشند.

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

1- Splash Packing
در اين نوع آکنه‌ها آب بر اثر برخورد با تيغه‌ها پخش و به صورت قطره قطره درآمده که در نتيجه ايجاد سطح وسيع مي‌نمايد. 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 آکنه‌ها سطح وسيع از آب دراثرجريان آن در روي تيغه ها به وجود مي‌آيد به طرق گوناگون مي‌توان چنين سطح وسيعي ايجاد کرد:

الف) Gird Packking
در اين نوع آکنه‌ها که از يک سري شبکه‌هايي که معمولا از چوب بوده و روي يک ديگر قرار گرفته‌اند استفاده مي‌شود. اين شبکه‌ها طوري نصب گرديده که همراه هر شبکه با شبکه‌هاي اطراف خود زاويه 90 درجه مي‌سازند و به اين شکل در سطوح شبکه‌ها پخش مي‌گردد.

ب) Random Packing
اين نوع آکنه‌ها که ازموادي با سطح زياد درست شده به طور نامنظم در داخل برج قرار دارند. يکي از دلايل نامرغوب بودن اين نوع آکنه‌ها ايجاد مقاومت زياد در مقابل جريان هوا مي‌باشد. اين نوع آکنه‌ها داراي قسمت‌هاي حلقوي است که قطر هر حلقه با طول آن برابر است. اين حلقه‌ها از جنس‌هاي مختلفي يوده وسطح تماس آب با هوا را زياد مي‌کنند.

ج) Plate Type Film Packing
اين نوع آکنه‌ها از صفحات نازک پلاستيکي چين‌دار ساخنه شده‌اند که با زاويه کمي کم‌تر از 90 درجه با سطح افق نصب شده‌اند. چين‌هاي روي صفحات باعث به وجود آمدن سطح زياد مي‌گردند.

آکنه‌ها بايد طوري انتخاب شوند تا هم سطح تماس آب وهوا براي نسبت‌هاي بالاي انتقال حرارت و انتفال جرم مناسب باشند و هم مقاومت کم‌تري در مقابل جريان هوا داشته باشند. آکنه‌ها بايد محکم، سبک و در برابر خوردگي و خراب شدن مقاوم باشند.


 
گزينش برج خنک کننده:
در گزينش صحيح دستگاه خنک کننده آب متناسب با مقتضيات يک پروژه معين بايد چند عامل اصلي را لحاظ کرد.
توان خنک کنندگي، مسائل اقتصادي، سرويس‌هاي مورد نياز و شرايط طبيعي و ...
اين عوامل اغلب به هم وابستگي متقابل دارند اما هر يک بايستي جداگانه مورد بررسي قرار گيرند از آن جا که ممکن است انواع زيادي از دستگاه‌ها توانايي تامين مقصود را داشته باشند عواملي همچون ابعاد دستگاه، مساحت محل نصب، حجم هواي جرياني، ميزان مصرف انرژي فن و پمپ، موارد بکار رفته در ساخت دستگاه، سهولت يافتن دستگاه در بازار بر انتخاب نهايي تاثير گذار خواهد بود.

برج‌هاي خنک کننده در اندازه‌هاي مختلف براي دفع حرارت از يک تا چند تن تبريد ساخته مي شوند، برج‌هاي بزرگ براي کاربردهاي معين ساخته مي‌شوند و معمولا از چندين سلول تشکيل مي‌شوند که هر يک اجزاي خاص خود را دارند.


محل نصب:
اگر بتوان برج خنک کننده را درفضاي باز با جريان هواي آزاد قرار داد در حصول يک بازده مناسب از برج مشکلي وجود نخواهد داشت اما چنانچه قرار باشد برج در داخل ساختمان و محصور بين ديوارها نصب شود موارد زير بايستي مورد توجه قرار گيرد:

1ـ بايد فضاي کافي و بدون مانع مزاحم در اطراف برج وجود داشته باشد تا هواي لازم به برج برسد.
2- هواي گرم خروجي از برج بايد به گونه‌اي تخليه شود که امکان بازگشت و گردش مجدد آن به برج وجود نداشته باشد زيرا گردش مجدد چنين هوايي در برج دماي مرطوب هواي ورودي به برج را افزايش مي‌دهد و باعث گرم ماندن آب در خروج از برج مي‌شود.
3- گردش مجدد هوا به داخل برج هنگامي مورد توجه قرار مي‌گيرد که چند برج در مجاورت هم باشند.

تعيين محل نصب برج به عوامل ديگري هم بستگي دارد از قبيل استحکام محل نصب، تجهيزات اضافي براي تقويت آن، هزينه فراهم کردن تجهيزات اضافي براي برج و مسائل مربوط به معماري ساختمان و ...


لوله کشي:
سيستم لوله کشي برج خنک کننده بايستي به گونه‌اي طراحي شود که امکان انبساط و انقباض بين لوله‌ها فراهم باشد و چنانچه برج بيش از يک اتصال ورودي داشته باشد بايد جهت متعادل کردن جريان آب به هر يک از سلول‌هاي برج شير متعادل کننده نصب شود و چنانچه لازم باشد يکي از سلول هاي برج جهت تعميرات از مدار خارج شود، بايد داراي شير مسدود کننده جريان باشد.

اگر دو يا چند برج بصورت موازي نصب شده باشند بايد از يک لوله مشترک بين دو تشت برج جهت متعادل کردن آب داخل برج استفاده شود.

به منظور ممانعت از سرريز آب داخل برج هنگام توقف کار تمامي مبدل‌ها بايستي پايين‌تر از سطح آب برج قرار داشته باشند.


کنترل ظرفيت:
بيش‌تر برج‌هاي خنک کننده در معرض تغييرات قابل توجه دماي مرطوب هوا و بار در طول فصل گرم مي‌باشند بدين لحاظ ممکن است جهت ابقاي شرايط تجويز شده براي کارکرد مطلوب برج بعضي از روش‌هاي کنترل ظرفيت به کار گرفته شود:

ساده‌ترين روش کنترل ظرفيت برج‌ها تغيير سرعت فن مي‌باشد که اغلب در برج‌هاي چند سلولي به کار مي‌رود با موتورهاي دور متغيير مي‌توان اين کار را انجام داد.

روش ديگر در کنترل ظرفيت استفاده از دمپر تنظيم کننده در دهانه‌ي خروجي فن سانتريفوژ مي‌باشد.
روش ديگر باي پاس کردن آب مي‌باشد.


کار زمستاني برج خنک کننده:
اگر قرار باشد برج در دماي زير صفر درجه کار کند بايد موارد زير بحث شود:

1ـ گردش باز آب در برج خنک کننده
2ـ گردش بسته آب در يک سرد کننده تبخيري مدار بسته
3ـ آب تشت در برج خنک کننده


بازگشت
مطالب مرتبط با این مقاله

•  معرفي آمونياک (R-717)
•  اشتباهات مهم در نصب کولر گازي (قسمت سوم)
•  قطعات پمپ
•  فن‌ها و هواساز ها
•  اشتباهات مهم در نصب کولر گازي (قسمت چهارم)
•  استفاده از پکيج در واحدهاي کوچک‌تر از 60 متر ممنوع است
•  چگونه با راهکارهاي ساده کولرآبي خانه خود را خنک‌تر کنيم؟
•  راهنماي خريد رادياتور فولادي
•  اصول انخاب پکيج
•  راهنماي جامع خريد کولر گازي
•  مشخصات مبرد R404a
•  راهنماي خريد کولر آبي
•  تهيه آب شيرين از آب دريا
•  ديگ‌هاي بخار (Steam Boilers)
•  برج خنک کننده

دانستنيهاي فني و تاسيساتي : گردآوری گروه تهویه مطبوع مهاجر