اشکال مختلف برج خنک کننده (Cooling Tower) بر اساس جریان آب و هوا، روش ساخت و انتقال حرارت دسته‌بندی می‌شوند. برج‌های خنک کننده متنوعی از لحاظ شکل دارند.
گاهی این برج‌ها به صورت دایره‌ای، مکعبی و یا مخروطی ظاهر می‌شوند و گاهی پروانه‌ها در لبه‌ها یا بالای برج قرار دارند یا به طور کلی بدون پروانه هستند. ممکن است تفاوت‌هایی در توزیع آب داخل دستگاه وجود داشته باشد که می‌تواند به شکل‌های دورانی، اسپری نازل و یا ثقلی باشد.
در این مقاله از سایت آسان کار قصد داریم تا به طبقه‌بندی انواع برج خنک کننده (کولینگ تاور) بپردازیم و همچنین، معایب و مزایای هر یک را توضیح دهیم. همچنین، این برج‌ها را از نظر مدار آب مورد بررسی قرار داده و اشکال آنها را معرفی خواهیم کرد.
| حتماً ببینید : میکسر مواد پلاستیک | میکسر گرانول |
علت استفاده از برج خنک کننده
از جمله دلایل مهم استفاده از برج‌های خنک کننده، کاهش هزینه‌های اقتصادی در عملیات و افزایش کارایی تولید است. بسیاری از صنایع واقعی و نیمه واقعی که از تجهیزات سنگین و سبک استفاده می‌کنند، امروزه از این تجهیزات برای افزایش کارایی خود استفاده می‌کنند.
در واقع، استفاده از برج خنک کننده در صنایع مختلف امری ضروری است. برای مثال، صنایع فولاد، تولید قطعات پلاستیکی، صنایع فرم‌دهی فلزات رنگین، تولید لباس، صنایع ریخته‌گری، صنایع چوب، نفت، پتروشیمی و نیروگاه‌ها از بزرگ‌ترین مصرف‌کنندگان برج خنک کننده به شمار می‌آیند. در مجموع، برج خنک کننده در دو کاربرد اصلی در صنایع استفاده می‌شود.
طرز کار برج خنک کننده
- برج خنک کننده به این شکل عمل می‌کند که هوایی که دارای مقداری رطوبت است، با آب گرم در داخل برج خنک کننده در تماس قرار می‌گیرد. در این فرایند، به دلیل وجود اختلاف انرژی و گرادیان غلظت، انتقال انرژی و جرم از آب به هوا انجام می‌شود.
- سپس، آب به شکل مایع به فاز بخار تبخیر می‌شود. در این فرایند، به علت تبخیر، آب گرمای نهانی را به هوا منتقل می‌کند؛ این موضوع مهم است زیرا مقدار زیادی گرما توسط آب جذب می‌شود.
- بنابراین، به دلیل تبخیر، دمای آب کاهش می‌یابد و گرما از فاز مایع خارج می‌شود. انجام این فرایند نیازمند حضور هوایی با کمی رطوبت است تا بتواند آب تبخیر شده را جذب کند.
منوی انواع برج خنک کننده (Cooling Tower Types) از جهت جریان هوا، مدار و جنس بدنه
برج خنک کن (کولینگ تاور) برای موارد مختلف کاربرد دارد؛ به همین دلیل، در مناطق مختلف با شرایط آب و هوایی و شرایط کاری متفاوت، به راحتی به کار می‌رود. به عنوان مثال، یک برج خنک کننده در صنعت تزریق پلاستیک مسئول خنک کردن قالب و روغن گردشی است. این نوع کولینگ تاور باید برای حفظ دمای آب خروجی در بازه 25 تا 30 درجه سانتیگراد طراحی شود.
کولینگ تاورها را می‌توان بر اساس نوع فرآیند انتقال حرارت به دو دسته اصلی جریان طبیعی و جریان اجباری تقسیم بندی کرد. اگر انتقال هوا در برج خنک کننده به وسیله وزش باد انجام شود، به آن “برج خنک کننده اتمسفریک” (Atmospheric Cooling Tower) گفته می‌شود. به طور متضاد، اگر جریان هوای ایجاد شده توسط یک فن مکنده یا دمنده باعث انتقال حرارت شود، آن را “برج خنک کننده جریان اجباری” (Mechanical Forced Draft) می‌نامند.
| پیشنهاد مطالعه : پلاستیک فشرده چیست؟ | کاربرد آن در تجهیزات مختلف |
انواع برج خنک کننده از نظر جریان هوا را می‌توان به شرح زیر دسته‌بندی کرد:
- جریان طبیعی
- جریان مکانیکی
- جریان اجباری
- جریان القایی
- جریان مرکب
جریان طبیعی: در این نوع، جریان هوا به صورت طبیعی و بدون استفاده از دمنده یا فن ایجاد می‌شود. این برج‌ها به دلیل استفاده از ویژگی‌های طبیعی هوا مناسب برای شرایط آب و هوایی خاصی هستند.
جریان مکانیکی: در این نوع، برج با استفاده از دمنده یا فن جریان هوا را ایجاد می‌کند. این برج‌ها به دلیل امکان تنظیم بهتر جریان هوا در شرایط مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند.
تنها با آشنایی کامل با انواع مختلف برج‌های خنک کننده و درک محدودیت‌ها، مزایا و معایب آنها، می‌توان نوع مناسب برای پروژه خاص خود را انتخاب نمود.
کولینگ تاور با جریان طبیعی
برج خنک کننده با جریان طبیعی یا اتمسفری، بدون استفاده از پروانه و تجهیزات دیگر برای هدایت هوا عمل می‌کند. در این نوع برج، آب تنها اسپری می‌شود و هوا به طور طبیعی در داخل برج حرکت می‌کند.
این برج‌ها ارزان هستند و عملکرد آنها قابل پیش‌بینی نیست و بسیاری از عوامل مثل باد و شرایط آب و هوایی روی آنها تأثیر می‌گذارند. در تصویر زیر، یک نمونه ساده از کولینگ تاور اتمسفری را مشاهده می‌کنید که در آن آب از طریق نازل‌ها توزیع می‌شود و هوا به طور طبیعی وارد برج شده و به جریان درآمده.
اجزاء برج خنک کننده (کولینگ تاور) با جریان طبیعی
- ساختمان بتنی و فلزی
- پکینگ
- دستگاه جمع‌آوری قطرات
- سیستم توزیع آب
- مخزن آب
برج خنک کننده هذلولی
کولینگ تاور هذلولی، یک نوع از برج‌های خنک کننده با جریان طبیعی است که اغلب از موادی مانند بتن ساخته شده و ارتفاع بالایی دارند. این نوع برج‌ها به طور عمده در نیروگاه‌ها و کارخانجاتی که به مقدار زیادی آب برای خنک کردن نیاز دارند، استفاده می‌شوند.
جریان هوا در این برج‌ها به دلیل اختلاف فشار ارتفاعی ایجاد می‌شود. ایجاد این نوع برج‌ها هزینه‌بر است، اما عملکرد بسیار پایداری دارند و برای صنایعی که به پایداری و اطمینان از عملکرد نیاز دارند، مناسب هستند.
مزایای برج خنک کننده با جریان طبیعی
- مصرف انرژی کم (بدون نیاز به برق یا انرژی)
- حفاظت از محیط زیست
- سطح صدا کم
- عملکرد مطمئن و ایمن
- عدم نیاز به چرخش مجدد هوا
- فضای کم اشغال
- نگهداری و تعمیرات محدود
- عمر زیاد
کولینگ تاور با جریان مکانیکی
برج خنک کننده با جریان مکانیکی از یک یا چند پره برای ایجاد جریان هوا استفاده می‌کند. این نوع دستگاه خنک کننده از عملکرد پایداری برخوردار است و کمتر تحت تأثیر باد و شرایط محیطی قرار می‌گیرد.
در این نوع برج خنک کننده، از فن به عنوان محرک برای ایجاد جریان هوا استفاده می‌شود. همانطور که در تصویر بالا مشاهده می‌کنید، هوا توسط فن از دو طرف دستگاه وارد می‌شود و به سمت بالا منتقل می‌شود.
مزایای کولینگ تاور جریان اجباری
- ساختار بسیار کوچک
- اشغال فضای کم
- راندمان و عملکرد بالا
- پایداری نسبت به شرایط هوایی
- اجزای کولینگ تاور مکانیکی
- موتور الکتریکی
- پره
- جذب قطره‌ها
- جعبه‌ی پکینگ
- سیستم توزیع آب
- سازه
- حوضچه آب
کولینگ تاور با جریان مکانیکی اجباری
برج خنک کننده با جریان مکانیکی اجباری از نوع جریان مکانیکی است که در این دستگاه، پره یا پره‌ها در قسمت ورودی هوا قرار دارند. سرعت ورود هوا بالاست، اما سرعت خروج هوا پایین است که این باعث می‌شود از گردش مجدد هوا جلوگیری شود.
این نوع کولینگ تاور از نظر اقتصادی ساختاری مناسب دارد و برای اکثر صنایع مناسب است. این نوع برج خنک کننده در ابعاد کوچک عموماً از فلز ساخته می‌شود و در ابعاد بزرگ از بتن استفاده می‌کند.
برج خنک کننده با جریان اجباری بزرگ بر اساس نیازهای کاربری طراحی و ساخته می‌شود.
پره این نوع برج خنک کننده‌ها معمولاً از نوع سانتریفیوژ استفاده می‌کنند. این برج‌ها فشار استاتیک بالایی دارند، اما مصرف برق آنها بالاست و سر و صدای زیادی دارند. پره این برج به دلیل قرار گرفتن در مسیر ورود هوا، در محیط‌های سرد، در معرض یخ‌زدگی قرار می‌گیرد.
کولینگ تاور با جریان القایی
برج خنک کننده القایی از نوع جریان مکانیکی است. در این برج خنک کن، پروانه یا پروانه ها در قسمت مخرج هوا قرار دارند و سرعت خروج هوا در ناحیه فن، سرعت بیشتری نسبت به ورود هوا در ناحیه ورود دارد.
به دلیل قرار گرفتن پروانه در قسمت مخرج هوای گرم، امکان یخ زدن پروانه در فصول سرد وجود ندارد. همچنین در این نوع برج، گردش مجدد هوا به طور خودکار رخ نمی‌دهد. بسیاری از نمونه‌های برج خنک کننده القایی در ابعاد کوچک این توانایی را دارند که با استفاده از پروانه، دمای آب را به مقدار مشخصی کاهش دهند.
در این نوع برج به دلیل شکل و مکانیسم کارکرد، امکان گردش مجدد هوا وجود ندارد. این مدل برج‌ها، از دبی‌های کوچک 15 گالن بر دقیقه تا 700000 گالن بر دقیقه و بیشتر ساخته می شوند و به عنوان یک ابزار موثر برای خنک کردن در محیط‌های صنعتی و تجاری استفاده می‌شوند.
کولینگ تاور با جریان مرکب
برج خنک کننده مرکب از انواع برج خنک کننده است که ظاهری مشابه کولینگ تاور با جریان طبیعی دارند، اما ارتفاع آنها معمولاً کمتر است و درون آنها از یک یا چند پره برای به جریان انداختن هوا استفاده می‌شود. همچنین در این نوع برج، در فصول سرد ممکن است پروانه‌ها خاموش شوند و در صورت لزوم و در شرایط بار شدید، پروانه‌های سیستم فعال شوند.
به طور معمول، طراحی برج خنک کننده مرکب به گونه‌ای است که تنها در زمان‌های بار یا گرمای شدید هوا، فن‌ها مجبور به کار می‌روند. در این زمان، می‌توان فن‌ها را ابتدا با سرعت پایین به گردش در آورد و در صورت نیاز، سرعت پره‌ها را افزایش داد تا عملکرد خنک کنندگی بهبود یابد.
برج خنک کننده (کولینگ تاور) ترکیبی
برج خنک کننده ترکیبی یک نوع دیگر از برج خنک کننده است که از ترکیب دو نوع برج خنک کننده خشک و برج خنک کننده مرطوب تشکیل شده است. در این نوع برج خنک کننده، ابتدا آب با دمای بسیار بالا وارد کویل می‌شود و توسط هوایی که در برج جریان دارد خنک شده و سپس آب بر روی سطوح انتقال حرارت پراکنده شده و مانند برج خنک کن معمولی خنک می‌شود.
انواع کولینگ تاور بر اساس مسیر جریان آب و هوا
برج‌های خنک کننده دیگری نیز بر اساس مسیر جریان آب و هوا در داخل آنها دسته‌بندی می‌شوند. این تقسیم‌بندی به شرح زیر است:
- برج خنک کننده با جریان مخالف
- برج خنک کننده با جریان متقاطع
1| کولینگ تاور با جریان مخالف
در برج خنک کننده با جریان مخالف، مسیر جریان آب در جهت مخالف مسیر جریان هوا قرار دارد. به طور معمول، جریان آب از بالا به پایین و جریان هوا از پایین به بالا است. در شکل برج خنک کننده با جریان مخالف، سیستم توزیع آب معمولاً با استفاده از فشار پمپ و نازل انجام می‌شود.
نازل، آب را به سطوح انتقال حرارت توزیع می‌کند تا هوا از زیر وارد شود. پروانه معمولاً در قسمت مرکزی و بالای برج قرار دارد و هوا را از پایین به بالا می‌کشد.
به دلیل مکانیزم کارکرد و مسیر مخالف جریان آب و هوا، پرتاب آب در این نوع برج‌های خنک کننده بیشتر است؛ به همین دلیل، برای جمع‌آوری قطرات آب از بالا، اغلب از قطره‌گیر استفاده می‌شود. این قطره‌گیر به هوا اجازه می‌دهد عبور کند اما قطرات آب را جمع‌آوری و به سیستم بازگرداند.
2| کولینگ تاور جریان اشتراکی
در برج خنک‌کننده جریان اشتراکی مسیر آب و هوا به یکدیگر اشتراک می‌گذارند. به طور معمول، جریان آب از بالا به پایین و جریان هوا به صورت افقی است. در تصویر زیر، برج خنک‌کن جریان اشتراکی را مشاهده می‌فرمایید.
این نوع برج خنک‌کننده دارای ارتفاع ریزش آب زیادی است. بنابراین، آب به راحتی با هوا تماس پیدا کرده و تبخیر شده و خنک‌کاری بیشتری انجام می‌شود. به دلیل مسیر اشتراکی جریان هوا و آب، احتمال پرتاب قطرات آب از برج خنک‌کننده کمتر است و در نتیجه، پرتاب آب در این نوع برج به حداقل می‌رسد. ریزش آب در این برج‌های خنک‌کننده به کمک گرانش اتفاق می‌افتد. بنابراین، سیستم توزیع آب ساده‌تر و دارای عمر بیشتری است.
انواع برج‌های خنک‌کن بر اساس مدار آب
یک دسته‌بندی دیگر از برج‌های خنک‌کننده بر اساس مدار جریان آب وجود دارد. این بر اساس، برج‌های خنک‌کننده به دو دسته زیر تقسیم می‌شوند.
1| برج خنک کننده مدار باز
برج خنک‌کننده مدار باز به عنوان برج خنک‌کننده معمولی شناخته می‌شود که آب در آن از لوله خارج شده و در داخل دستگاه پخش می‌شود و در تمام مسیر، آب درون لوله نیست.
2| کولینگ تاور مدار بسته
در داخل برج خنک‌کننده مدار بسته، آب سیستم از درون کوئل‌ها عبور کرده و خنک می‌شود. تفاوت اصلی بین عملکرد برج خنک‌کننده مدار بسته و مدار باز در این است که در مدار بسته، جلوگیری از تبخیر و رسوب گرفتن در آب سیستم صورت می‌گیرد؛ به طوری که آب با عبور از داخل کوئل با هوای به وجود آمده توسط فن در مجاورت کوئل‌ها تبخیر نمی‌شود و ناخالصی به آن نفوذ نمی‌کند.
اما در برج خنک‌کننده مدار بسته، در عین حال که آب در یک مدار از داخل کوئل‌ها عبور می‌کند، در مدار دیگری آب بر روی کوئل‌ها ریخته می‌شود و این آب، به وسیله هوای به وجود آمده توسط فن، از روی سطح کوئل‌ها تبخیر می‌شود و کوئل‌ها را خنک می‌کند.
| حتماً ببینید : دستگاه گازگیر مواد پلاستیک | گازگیر تزریق پلاستیک |
تقسیم‌بندی کولینگ تاور بر اساس جنس سازه
- برج خنک کننده فایبرگلاس
- برج خنک کننده گالوانیزه یا فلزی
- برج خنک کننده بتنی
- برج خنک کننده چوبی
برج خنک کننده فایبرگلاس
بدنه برخی از انواع برج‌های خنک‌کن از جنس فایبرگلاس ساخته می‌شود که با استفاده از رزین مرغوب و لایه‌های کافی، مقاومت و کیفیت بالایی دارند. برج‌های خنک‌کن فایبرگلاس به شکل‌های مختلفی مانند مدور و مکعبی تولید می‌شوند.
برج خنک کننده گالوانیزه
یکی از انواع برج‌های خنک‌کن، برج‌های خنک‌کننده گالوانیزه هستند. تماس مداوم آب با سطح بدنه برج ممکن است باعث تخریب و اکسیداسیون آن شود. به همین دلیل، استفاده از ورق‌های گالوانیزه با کیفیت مناسب می‌تواند عمر مفید برج‌های خنک‌کن را در برابر رطوبت و زنگ‌زدگی افزایش دهد.
برج خنک کننده بتنی
کولینگ تاور بتنی، نوعی برج خنک‌کن است که سازه و بدنه‌اش از بتن ساخته می‌شود. برج‌های خنک‌کننده بتنی به شکل‌های مختلفی مانند هذلولی یا مکعبی در ظرفیت‌های بسیار بالا ساخته می‌شوند.
