آشنایی با برج‌های خنک کننده (cooling tower)| انواع، ویژگی‌ها و کاربردهای آن‌ها

برج خنک کننده  (cooling tower)چیست؟

برج خنک کننده دستگاهی است که برای کاهش دمای آب گرم مورد استفاده در فرآیندهای صنعتی یا سیستم‌های تهویه مطبوع به کار می‌رود. این دستگاه از طریق فرآیند تبخیر و تماس آب گرم با هوا، حرارت آب را دفع می‌کند. در برج خنک کننده، آب گرم از سیستم وارد می‌شود و پس از خنک شدن به سیستم بازگردانده می‌شود تا مجدداً مورد استفاده قرار گیرد. برج‌های خنک کننده در انواع مختلفی موجود هستند، از جمله برج‌های خنک کننده مدار باز و مدار بسته، که هر کدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند.

برج خنک کننده (کولینگ تاور) چگونه کار می کند؟

برج خنک کننده با استفاده از فرآیند تبخیر برای خنک کردن آب گرم کار می کند.در اینجا خلاصه ای از نحوه عملکرد برج خنک کننده مرطوب آورده شده است:

1- آب گرم وارد برج می شود: آب گرمی که باید خنک شود از طریق لوله هایی در بالای برج به داخل آن پمپ می شود.

2- پخش آب: آب گرم توسط نازل های پاششی به قطرات ریز تبدیل می شود و به سمت پایین برج پاشیده می شود.

3- تماس با هوا: همانطور که قطرات آب به سمت پایین می ریزند، با هوای ورودی به برج که توسط فن ها به داخل کشیده می شود، تماس پیدا می کنند.

4- تبادل گرما: گرمای آب به هوا منتقل می شود و باعث تبخیر بخشی از آب می شود. این فرآیند تبخیر گرما را از آب می گیرد و آن را خنک می کند.

5- جمع آوری آب خنک شده: آب خنک شده در حوضچه ای در پایین برج جمع آوری می شود و سپس از طریق لوله ها به فرآیندی که در ابتدا آن را گرم کرده بود، برگردانده می شود.

6- خروج هوای گرم و مرطوب: هوای گرم و مرطوب که حاوی بخار آب است از بالای برج خارج می شود.

در برج های خنک کننده خشک، به جای پاشش آب به هوا، آب گرم از طریق لوله هایی در داخل برج جریان می یابد و گرمای خود را به هوای اطراف لوله ها منتقل می کند. هوای گرم شده توسط فن ها از برج خارج می شود.

برج خنک کننده  (کولینگ تاور) چه کاربردی دارد؟

برج های خنک کننده کاربردهای بسیار متنوعی دارند، در هر جایی که نیاز به دفع حرارت اضافی از آب باشد می توان از آنها استفاده کرد. برخی از رایج ترین کاربردهای برج های خنک کننده عبارتند از:

1- نیروگاه ها: در نیروگاه ها، از برج های خنک کننده برای خنک کردن آب خروجی از توربین ها استفاده می شود. این آب گرم می شود زیرا از آن برای تولید برق استفاده می شود. برج خنک کننده گرمای آب را گرفته و آن را به دمای قابل قبول برای استفاده مجدد در فرآیند تولید برق خنک می کند.

2- کارخانه های صنعتی: در کارخانه های صنعتی، از برج های خنک کننده برای خنک کردن آب فرآیند استفاده می شود. این آب برای خنک کردن ماشین آلات و تجهیزات و همچنین برای فرآیندهای مختلف مانند تصفیه مواد شیمیایی و تولید نساجی استفاده می شود.

3- سیستم های تهویه مطبوع(HVAC): در سیستم های تهویه مطبوع، از برج های خنک کننده برای خنک کردن آب چگالنده استفاده می شود. این آب گرم می شود زیرا از آن برای جذب گرما از داخل ساختمان استفاده می شود. برج خنک کننده گرمای آب را گرفته و آن را به دمای قابل قبول برای استفاده مجدد در فرآیند خنک سازی فضا خنک می کند.

4- تأسیسات فرآوری مواد غذایی: برای خنک کردن آب مورد استفاده برای شستشو و ضدعفونی محصولات غذایی

5- مراکز داده: برای خنک کردن تجهیزات الکترونیکی

6- آزمایشگاه ها: برای خنک کردن تجهیزات آزمایشگاهی

برج های خنک کننده جزء ضروری بسیاری از صنایع هستند و به خنک نگه داشتن تجهیزات و فرآیندها و همچنین صرفه جویی در مصرف آب کمک می کنند.

اجزای تشکیل دهنده برج خنک کننده (cooling tower) :

برج های خنک کننده از اجزای مختلفی تشکیل شده اند که هر کدام وظیفه ی خاصی را در فرآیند خنک کردن آب ایفا می کنند. در زیر به شرح برخی از اجزای اصلی برج خنک کننده می پردازیم:

1. پوسته (Shell): پوسته خارجی برج خنک کننده را تشکیل می دهد و از آن برای محافظت از اجزای داخلی در برابر عوامل محیطی مانند باد، باران و برف استفاده می شود. پوسته معمولا از بتن، فولاد یا فایبرگلاس ساخته می شود.( حفاظت از اجزای داخلی)

2. پکینگ (Packing): پکینگ ماده ای متخلخل است که در فضای داخلی برج خنک کننده قرار می گیرد. آب گرم از طریق نازل های پاششی بر روی پکینگ پاشیده می شود و سطح تماس آب با هوا را به طور قابل توجهی افزایش می دهد. این امر تبادل حرارت بین آب و هوا را افزایش داده و به خنک شدن سریعتر آب کمک می کند. پکینگ معمولا از چوب، پلاستیک یا فلز ساخته می شود.( افزایش سطح تماس آب با هوا)

3. سیستم توزیع آب (Water Distribution System): سیستم توزیع آب شامل لوله ها، نازل ها و سایر تجهیزات لازم برای پاشیدن آب گرم به طور یکنواخت بر روی پکینگ است. این امر به حصول حداکثر کارایی خنک کننده کمک می کند.( توزیع یکنواخت آب بر روی پکینگ)

4. فن ها (Fans): فن ها هوا را به داخل برج خنک کننده می کشند و از میان پکینگ عبور می دهند. این جریان هوا گرما را از آب جذب کرده و آن را به بیرون از برج هدایت می کند. فن ها می توانند محوری یا سانتریفیوژ باشند.( ایجاد جریان هوا از میان پکینگ)

5. حوضچه جمع آوری آب (Cold Water Basin): حوضچه ای در پایین برج خنک کننده قرار دارد که برای جمع آوری آب خنک شده استفاده می شود. این آب سپس توسط پمپ به فرآیندی که در ابتدا آن را گرم کرده بود، بازگردانده می شود.( جمع آوری آب خنک شده)

6. دریچه های هوا (Louvers): دریچه های هوا در کناره های برج خنک کننده قرار دارند و به کنترل جریان هوا به داخل و خارج از برج کمک می کنند. دریچه ها را می توان برای تنظیم دمای آب خنک شده تنظیم کرد.( کنترل جریان هوا)

7. eliminator drift: قطره گیر قطرات ریز آب را از هوای خروجی از برج جدا می کند. این امر به کاهش انتشار بخار آب به محیط زیست کمک می کند.( جدا کردن قطرات ریز آب از هوای خروجی)

8. سایر اجزا:  برج های خنک کننده ممکن است شامل اجزای دیگری مانند سیستم های روشنایی، سیستم های کنترل و تجهیزات ایمنی نیز باشند.

انواع برج خنک کننده (Types of cooling towers) : 

برج های خنک کننده را می توان بر اساس معیارهای مختلفی هم چون عملکرد، از لحاظ مدار گردش آب( مدار باز و مدار بسته) ، از لحاظ جهت جریان، از لحاظ جهت جریان آب و هوا، نوع ساخت و جنس  دسته بندی کرد، در ادامه به بررسی انواع برج های خنک کننده از نظر عملکرد می پردازیم.

الف)برج های خنک کن مرطوب (Wet cooling tower) : 

برج‌های خنک کن مرطوب (Wet Cooling Tower) دستگاه‌هایی هستند که برای دفع حرارت اضافی از آب مورد استفاده در سیستم‌های صنعتی و تهویه مطبوع به کار می‌روند. این برج‌ها از طریق تبخیر آب و تماس آن با هوا، حرارت آب گرم را کاهش می‌دهند.

انواع برج‌های خنک کن مرطوب

    *برج خنک کننده با جریان متقاطع (Crossflow):در این نوع، جریان هوا به صورت افقی و جریان آب به صورت عمودی حرکت می‌کند. این طراحی اجازه می‌دهد تا آب و هوا به طور متقاطع با یکدیگر تماس پیدا کنند.

    *برج خنک کننده با جریان مخالف (Counterflow):در این نوع، جریان هوا به صورت عمودی از پایین به بالا و جریان آب به صورت عمودی از بالا به پایین حرکت می‌کند. این طراحی باعث می‌شود که هوا و آب به طور مخالف با یکدیگر تماس پیدا کنند و بهینه‌تر خنک شوند.

ب) برج های خنک کن خشک (Dry cooling tower)

ج)برج های خنک کن دوگانه مرطوب_خشک (Hybrid cooling tower wet/dry)

مزایا برج خنک کننده :

افزایش بازدهی سیستم‌های تهویه مطبوع و صنایع: برج‌های خنک کننده به طور قابل توجهی دمای آب برگشتی از سیستم‌های حرارتی را کاهش می‌دهند، که این امر باعث افزایش بازدهی کلی سیستم می‌شود.

صرفه‌جویی در مصرف آب: برج‌های خنک کننده به سیستم اجازه می‌دهند تا از آب موجود بهینه‌تر استفاده شود و مصرف کلی آب کاهش یابد.

کاهش هزینه‌های عملیاتی: با بهبود کارایی سیستم‌های تهویه و کاهش دمای تجهیزات، هزینه‌های عملیاتی کاهش می‌یابد.

بهبود محیط زیست: استفاده از برج‌های خنک کننده می‌تواند به کاهش مصرف انرژی و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای کمک کند.

معایب کولینگ تاورها:

هزینه‌های اولیه بالا: نصب و راه‌اندازی برج‌های خنک کننده معمولاً هزینه‌های اولیه بالایی دارد که می‌تواند بار مالی سنگینی بر دوش شرکت‌ها بگذارد.

نیاز به نگهداری مداوم: برج‌های خنک کننده نیاز به نگهداری منظم دارند تا عملکرد بهینه خود را حفظ کنند، که این امر می‌تواند هزینه و زمان‌بری بالایی داشته باشد.

خطرات بهداشتی: در صورت عدم نگهداری صحیح، برج‌های خنک کننده می‌توانند مکان مناسبی برای رشد باکتری‌ها و قارچ‌ها باشند که ممکن است به مشکلات بهداشتی منجر شوند.

مصرف انرژی: هرچند برج‌های خنک کننده به کاهش مصرف انرژی کمک می‌کنند، خودشان نیز مصرف کننده انرژی هستند و می‌توانند باعث افزایش مصرف انرژی شوند.

سر و صدا: برج‌های خنک کننده می‌توانند صدای زیادی تولید کنند که ممکن است در برخی از محیط‌ها مشکل‌ساز باشد.

در نهایت، انتخاب و استفاده از برج‌های خنک کننده باید با توجه به نیازها و شرایط خاص هر پروژه انجام شود تا بتوان از مزایای آن بهره‌مند شد و معایب آن را به حداقل رساند.

تفاوت برج خنک کننده و چیلر chillers:

برج خنک کننده و چیلر هر دو از تجهیزات مهم در سیستم‌های تهویه مطبوع و صنعتی هستند که برای کاهش دما و کنترل حرارت استفاده می‌شوند، اما تفاوت‌های اساسی بین آنها وجود دارد که در زیر به آن‌ها اشاره می‌کنیم و از نظر عملکرد و مکانیزم، کاربرد و مزایا و معایب هرکدام مورد بررسی قرار می دهیم 

تفاوت چیلر و برج خنک کننده از نظر عملکرد و مکانیزم:

برج‌های خنک کننده (Cooling Towers) عمدتاً برای خنک کردن آب استفاده می‌شوند. آب گرم از سیستم‌ها وارد برج خنک کننده می‌شود، از طریق فرآیند تبخیر و تماس با هوا، حرارت آن کاهش می‌یابد و سپس آب خنک شده به سیستم باز می‌گردد.

چیلرها (Chillers) دستگاه‌هایی هستند که حرارت را از مایعات (معمولاً آب) می‌گیرند و از طریق سیکل تبرید به محیط بیرون انتقال می‌دهند. چیلرها به دو نوع چیلر تراکمی و چیلر جذبی تقسیم می‌شوند.

تفاوت چیلر و برج خنک کننده از نظر کاربرد:

برج‌های خنک کننده بیشتر در نیروگاه‌ها، پالایشگاه‌ها، کارخانه‌های پتروشیمی، و سیستم‌های تهویه مطبوع بزرگ استفاده می‌شوند.

چیلرها در سیستم‌های تهویه مطبوع ساختمان‌ها، هتل‌ها، بیمارستان‌ها، و مراکز خرید استفاده می‌شوند. همچنین در صنایع مختلف برای خنک‌سازی تجهیزات و فرآیندها کاربرد دارند.

از نظر نوع خنک‌سازی:

خنک‌سازی در برج خنک کننده بر اساس تبخیر آب و تبادل حرارت با هوا انجام می‌شود.

خنک‌سازی در چیلرها بر اساس سیکل تبرید و استفاده از مواد مبرد (مانند فریون) انجام می‌شود.

مزایای برج خنک کننده نسبت به چیلر: بهره‌وری انرژی بالا در مقیاس‌های بزرگ و مناسب برای استفاده در سیستم‌های باز و با حجم آب زیاد

مزایای چیلر نسبت به برج خنک کننده :کنترل دقیق دما و مناسب برای سیستم‌های بسته و کنترل کیفیت آب

معایب برج خنک کننده نسبت به چیلر: نیاز به مصرف آب زیاد و نیاز به نگهداری منظم برای جلوگیری از رشد باکتری‌ها و رسوب‌ها

معایب چیلر نسبت به برج خنک کننده :هزینه اولیه و نگهداری بالا و مصرف انرژی نسبتاً زیاد

برج‌های خنک کننده و چیلرها هر دو نقش مهمی در مدیریت حرارت و دما دارند، اما انتخاب بین آنها بستگی به نوع کاربرد، نیازهای پروژه، و شرایط محیطی دارد. برج‌های خنک کننده برای خنک کردن حجم‌های بزرگ آب در سیستم‌های باز مناسب هستند، در حالی که چیلرها برای کنترل دقیق دما و سیستم‌های بسته کارآمدترند.

سوالات متداول

برج خنک کننده چیست و چگونه کار می‌کند؟

برج خنک کننده دستگاهی است که برای خنک کردن آب در سیستم‌های صنعتی و تهویه مطبوع استفاده می‌شود. این دستگاه از طریق تبخیر آب و تماس آن با هوا، حرارت آب گرم را کاهش می‌دهد.

انواع برج‌های خنک کننده کدامند؟

برج‌های خنک کننده به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: برج‌های خنک کننده مدار باز و برج‌های خنک کننده مدار بسته. هر کدام از این دسته‌ها بر اساس نوع جریان هوا (مکانیکی یا طبیعی) و نحوه تماس آب و هوا تقسیم‌بندی‌های بیشتری دارند.

تفاوت بین برج خنک کننده مدار باز و مدار بسته چیست؟

در برج خنک کننده مدار باز، آب گرم مستقیماً با هوا تماس می‌گیرد و بخشی از آن تبخیر می‌شود. در برج خنک کننده مدار بسته، آب در یک مدار بسته جریان دارد و حرارت از طریق یک مبدل حرارتی به هوا منتقل می‌شود.

مزایای استفاده از برج خنک کننده چیست؟

افزایش بازدهی سیستم‌های تهویه مطبوع و صنعتی، صرفه‌جویی در مصرف آب و انرژی، کاهش هزینه‌های عملیاتی و بهبود محیط زیست از جمله مزایای استفاده از برج‌های خنک کننده است.

معایب و مشکلات احتمالی برج‌های خنک کننده چیست؟

هزینه‌های اولیه بالا، نیاز به نگهداری مداوم، مصرف آب زیاد و خطرات بهداشتی ناشی از رشد باکتری‌ها و قارچ‌ها از معایب برج‌های خنک کننده هستند.

چگونه می‌توان برج خنک کننده را نگهداری کرد؟

نگهداری منظم شامل تمیز کردن دوره‌ای، بررسی و تعویض قطعات فرسوده، کنترل سطح آب و جلوگیری از رسوب‌گذاری و رشد باکتری‌ها از اقدامات اساسی برای نگهداری برج خنک کننده است.

مصرف آب در برج خنک کننده چقدر است؟

مصرف آب در برج‌های خنک کننده به میزان حرارت مورد نیاز برای دفع و همچنین شرایط محیطی مانند دما و رطوبت بستگی دارد. با استفاده از سیستم‌های بازیافت آب می‌توان این مصرف را بهینه‌تر کرد.

چگونه می‌توان بهره‌وری برج خنک کننده را افزایش داد؟

انتخاب مناسب برج خنک کننده بر اساس نیازهای خاص، نگهداری منظم، بهینه‌سازی جریان هوا و آب و استفاده از مواد شیمیایی مناسب برای جلوگیری از رسوب‌گذاری و رشد باکتری‌ها می‌تواند به افزایش بهره‌وری برج خنک کننده کمک کند.

آیا برج‌های خنک کننده برای محیط زیست ضرر دارند؟

برج‌های خنک کننده در صورت نگهداری و مدیریت صحیح می‌توانند به کاهش مصرف انرژی و آب کمک کنند و اثرات منفی زیست محیطی کمتری داشته باشند. با این حال، در صورت عدم نگهداری مناسب، می‌توانند منجر به مشکلات بهداشتی و زیست محیطی شوند.

چه معیارهایی باید در انتخاب برج خنک کننده در نظر گرفته شود؟

ظرفیت خنک کنندگی مورد نیاز، نوع و کیفیت آب، شرایط محیطی، هزینه‌های نصب و نگهداری، و کارایی انرژی از جمله معیارهایی هستند که باید در انتخاب برج خنک کننده مد نظر قرار گیرند.