انواع کولینگ تاور بر اساس جهت آب و هوا
مکانیزم عملکرد کولینگ تاور
پکینگ برج خنک کننده، نوع انتقال حرارت، نحوه مکش فن، فرم دستگاه و جنس کولینگ تاور، همه و همه عواملی هستند که میتوانند بر نحوه و مکانیزم عملکرد سیستم کولینگ (cooling tower) تأثیر متفاوتی داشته باشند. البته تقریباَ در تمامی مدلها عمل تبخیر انجام می گیرد. به بیان دقیق تر، تبخیر در کولینگ تاور مدارباز به صورت گسترده و در مدلهای هیبریدی و مداربسته، بسیار بسیار کم است. از همین رو به بررسی رفتار سیستم کولینگ در حالت تبخیری خواهیم پرداخت:
در کولینگ تاور های تبخیری، پروانه برج خنک کننده ابتدا آب از طریق مجرای لوله‌های ورودی وارد بیسین (تشتک) میشود. سپس آب توسط پمپ ها به قسمت بالایی سیستم کولینگ انتقال پیدا می کند. در قسمت بالای برج، اسپرینکلرهدهایی (نازلها) طراحی شده اند تا آب را به صورت یکنواخت بر روی پکینگ توزیع کنند. دقت داشته باشید که چنانچه پکینگ‌ها دچار مشکلات خوردگی، پوسیدگی، شکستگی و… باشند و یا نازلها آب را به صورت یکنواخت بر روی پکینگ نریزند، دستگاه دچار افت راندمان میشود؛ و در آن حتماَ رسوب تشکیل میگردد. علاوه بر اینها، باید فعلاَ با راندمان عالی دستگاه خداحافظی کنید!!.
از سوی دیگر، هوا نیز توسط فن‌ها به داخل مکش پیدا میکند. در نتیجه با ریزش یکنواخت آب بر روی پکینگ ها، یک لایه نازک آب و یا قطرات بسیار ریز آب بوجود می آید که سطح تماس گسترده ای با هوا خواهند داشت. و با تماس میان آب و هوا، تبادل گرمایی صورت میگیرد و آب خنک میشود. در نهایت نیز، هوای گرم از طریق بخش بالایی کولینگ تاور به بیرون پرتاب میشود. و آب خنک شده نیز توسط لوله‌های رفت و برگشتی، مجدداَ وارد چرخه‌ی صنعت میشود.
روشهای انتقال حرارت در سیستم کولینگ
به طور کلی انتقال حرارت در کولینگ تاورها به چهار روش:
- سیستم مداربسته
- کولینگ تاور مدارباز
- مدلهای هیبریدی
- و برج‌های خنک کننده خشک
انجام میشود. به بیان دیگر، شیوه‌های انتقال حرارت بر مبنای «استفاده یا عدم استفاده از آب» و «نوع اقلیم» تعیین میشود. البته که بسیاری از کارشناسان، مدلهای هیبریدی و البته مدلهای خشک را شاخه ای از سیستم کولینگ مداربسته می دانند. اما با توجه به تفاوتهای عملکردی، این مدلها را به صورت جداگانه ای بررسی خواهیم نمود.
کولینگ تاور مدارباز (مرطوب)
کولینگ تاور مدارباز (open floor cooling tower) بیشتر در سیستم های صنعتی بزرگ مورد استفاده قرار می گیرد. زیرا قابلیت خنک سازی سیال در سیستم کولینگ مدارباز، بسیار قدرتمند است. سیستم مدار باز با نام برج خنک کننده مرطوب نیز شناخته میشود و روش انتقال حرارت در آن مستقیم است. بدین گونه که سیال (آب) به طور مستقیم با هوای خنک تماس برقرار میکند و موجب خنک سازی آب میشود. در نتیجه هدف نهایی این است که دمای آب داغ به اندازه دمای هوای بیرون از دستگاه برسد (و یا حتی چند درجه سانتیگراد خنک تر!).
مکانیزم عملکرد کولینگ تاور مدارباز در چند مرحله انجام میشود:
- ابتدا آب داغی که باید سرد شود به بخش بالایی سیستم کولینگ هدایت میشود.
- سپس بوسیله‌ی سیستم توزیع آب (اسپرینکلر هد)، آب پرحرارت را بر روی سطوح پکینگ اسپری میکند.
- آب ریخته شده بر روی سطوح پکینگ مدیا، موجب ایجاد لایه‌هایی نازک از آب می گردد که با ایجاد سطح گسترده‌ی تماس، آماده‌ی برخورد با جریان هوای ورودی می‌باشد.
- در ادامه فن ها (محوری یا سانتریفیوژی)، هوای ورودی را روی سطوح پکینگ مدیا به گردش در می‌آورند. در حقیقت، فن ها هوای بیرون را وارد کولینگ تاور کرده و به سمت بالا هدایت میکنند.
- این برخورد گسترده‌ی هوا و آب، موجب عملیات تبخیر و در نتیجه خنک شدن آب داغ میشود.
- در نهایت آب سرد شده به درون تشتک زیر پکینگ ریخته میشود. و وارد لوله‌هایی میشود که آب خنک شده را مجدداَ به فرآیند صنعتی برگرداند.
- هوا نیز توسط لوله‌های خروجی بالای کولینگ تاور، از دستگاه به بیرون پرتاب میشود.
ویژگیهای سیستم کولینگ مدارباز
از جمله مزایای سیستم کولینگ مدارباز میتوان به فاکتورهای زیر اشاره نمود:
- بازدهی: سیستم کولینگ مدارباز دارای بازدهی بسیار فوق العاده ایست. چرا که به علت تماس مستقیم آب و هوا و انجام عملیات تبخیر، انتقال گرما با سرعت و توان بیشتری انجام میگردد.
- سایز و ابعاد: شما میتوانید بسته به متراژ فضای محیطی کارگاه خود، به سفارش برج خنک کننده مدارباز با ابعاد دلخواه، اقدام کنید. همچنین بایستی بدانید که چنانچه ظرفیت دو سیستم مدارباز و مداربسته یکسان باشد، مدل مدارباز میتواند در ابعاد کوچکتری طراحی شود.
- ظرفیتهای گوناگون: امکان تولید سیستم مدارباز در ظرفیت های بسیار متنوع؛ بسته به سفارش صاحبان صنایع و کارفرمایان
- ظرفیتهای بزرگ: قابلیت طراحی و ساخت کولینگ تاورهای مدارباز در ظرفیت بزرگ تا 1000 تن
- هزینه راه اندازی: به علت بهره گیری از لوله‌ها یا کویل های مسی در تجهیزات کولینگ تاور مدارباز، هزینه‌های طراحی و راه اندازی ابتدایی این سیستم بسیار کمتر است (در برابر هزینه‌های نسبتاَ بالاتر سیستم مداربسته). همچنین استفاده از یکسری پره آلومینیومی نیز در کاهش قیمت تمام شده‌ی این دستگاه‌ها شدیداَ موثر است.
به یاد داشته باشید که در سیستم کولینگ تاور مدارباز از عملیات تبخیر استفاده میشود. در نتیجه بخشی از آب بخار شده و نیاز به آب جبرانی برای دستگاه می‌باشد.
معایب کولینگ تاور مدارباز
انواع سیستم‌های کولینگ مدار باز دارای دو عیب بزرگ هستند:
- اول آنکه در این سیستم، رسوب گذاری دائماَ رخ می دهد (به دلیل تبخیر). و میتواند راندمان کلی دستگاه و طول عمر قطعات کولینگ تاور را کاهش دهد.
- و دوم اینکه، همین رسوب گذاری های پی در پی، موجب میشود تا نیاز به شستشوهای مداوم و تعمیرات بیشتر در سیستم مدارباز احساس شود.
کولینگ تاور مداربسته
سیستم مداربسته کولینگ تاور با نام «روش دفع حرارت غیرمستقیم» نیز شناخته میشود. در حقیقت این دستگاه‌های خاص در چندین ابعاد متفاوت بایستی صورت بگیرد:
ساختار: به لحاظ ساختاری، کولینگ تاورهای مداربسته و مدارباز دارای شباهت های بسیار زیادی با یکدیگر هستند. مکانیزم عملکرد این دو سیستم نیز کاملاَ مشابه است. با این تفاوت که برج خنک کننده مدارباز، به منظور انتقال حرارت آب و سیال از وجود «مبدل حرارتی و کویل حرارتی» بهره می برد.
سیکل جریان: همچنین سیکل جریان سیالها نیز در این دو نوع سیستم متفاوت است. به طوریکه آب در کولینگ تاور مداربسته در یک مجرای کاملاَ بسته و پاکیزه به حرکت در می آید. بر خلاف مدلهای مدارباز که در آنها، آب بطور آزادانه به حرکت درمی آید. و سپس با هوا تماس پیدا می کند.
مدار سیال: کولینگ تاور دو سیکل مجزای «خارجی» و «داخلی» دارد. با استفاده از این دو سیکل مجزا، مراحل انتقال حرارت انجام میگیرد. در سیکل داخلی، فقط سیال جریان دارد. اما سیکل خارجی در توزیع آب روی کویل مسی نقش دارد. همچنین انتقال مقداری از حرارت سیال به محیط بیرون نیز توسط سیکل خارجی انجام میشود.
انتقال حرارت: شیوه انتقال گرما در برج خنک کننده مداربسته، مس غیرمستقیم آب با هوا می‌باشد.
مکانیزم عملکرد کولینگ تاورهای مداربسته
سیستم انتقال حرارت در سیستم‌های کولینگ مداربسته به صورت غیرمستقیم است. نحوه‌ی برخورد سیال و هوا در کولینگ تاور مداربسته به صورت غیر مستقیم است. به طوریکه آب (سیال) ابتدا از بالای دستگاه وارد میشود و بوسیه‌ی چندین آب فشان به سمت زیرین دستگاه انتقال پیدا می کند. سپس آب از لوله‌های پره دار عبور می کند. این لوله‌های پره دار به جای پکینگ ها در کولینگ تاور مداربسته مورد استفاده قرار میگیرد و با ایجاد سطح تماس گسترده با جریان هوای خنک، موجب خنک شدن جریان آب گرم میشود.
به عبارت دیگر، آب خنک روی سطح خارجی کویل مسی با جریان هوا برخورد پیدا می کند. نتیجه این برخورد، خنک شدن سیال با استفاده از خاصیت تبخیر (با هدررفت کم آب) است.
مزایای کولینگ تاور مداربسته
کولینگ تاور مداربسته نیز دارای ویژگیهای منحصر بفرد متعددی است. بایستی بدانید که به دلیل خشکی شدید در کشور ایران و بسیاری از کشورهای همسایه، استفاده از سیستم مداربسته در طراحی برج های خنک کننده، بسیار گسترش یافته است. زیرا میزان هدررفت آب در این نوع تجهیزات بسیار کم است. برخی از این ویژگیها عبارتند از:
- استفاده از کویل مسی (افزایش ضریب انتقال و افزایش بازدهی سیستم مداربسته)
- صرفه جویی عالی در مصرف آب
- عدم نیاز به تزریق آب جبرانی
- کاهش مصرف چشمگیر برق
- مناسب برای مناطق خشک و کویری (مناطق کم آب کشور)
- خنک سازی مناسب سیال
- رعایت به هنگام طراحی دستگاه
- کولینگ تاور مداربسته به خوبی کیفیت مایعات (سیال) درون لوله‌ها را حفظ و تضمین می کند.
همچنین نکته جالب اینجاست که مایع درون سیکل های برج خنک کننده مداربسته، عمدتاَ ترکیبی از «آب و گلیکول» می‌باشد.
کوینگ تاور هیبریدی
در کولینگ تاور هیبریدی، سیال از درون کویل مسی حرکت می کند. سپس توسط اسپرینکلرهد ها، آب بر روی سطح خارجی کویل توزیع میگردد. بوسیله‌ی همین عملکرد، آب به دو صورت مرطوب و خشک خنکسازی میشود و با جریان هوا به تبادل حرارت می پردازد. نکته‌ی مهم اینجاست که هرگاه هوای محیط گرم باشد، عمل توزیع آب روی کویلهای مسی صورت می گیرد. اما در هنگام شب و یا به هنگام خنک شدن دمای هوای محیط، کولینگ تاور هیبریدی فقط و فقط به صورت خشک فعالیت می کند.
ساختار کولینگ تاور هیبریدی بر اساس مکانیزم ترکیبی دو سویه می‌باشد. این مکانیزم دوسویه شامل «دو مسیر آب سری» و «دو مسیر جریان هوای موازی» است. علاوه بر آن، دو بخش بالا و پایین کولینگ تاور هیبریدی نیز مربوط به دو عملکرد خشک و مرطوب می‌باشد. بدین صورت که قسمت فوقانی برج خنک کن، دارای لوله‌های پره ای است و مربوط به عملکرد خشک دستگاه می‌باشد. همچنین بخش زیرین دستگاه نیز شامل آکنه‌هایی است که عملکرد مرطوب خنک سازی در آن انجام میشود.
نوع خاص طراحی این نوع کولینگ تاور هیبریدی، موجب میشود که نشتی سیال، تمامی مکش های اضافی و تبخیر آب به حداقل ممکن کاهش یابد. شاید به دلیل همین عملکرد است که برج خنک کننده هیبریدی را زیرمجموعه‌ای از مدلهای مداربسته به شمار می‌آورند