سيستم هاي برج خنك كننده (Cooling)
برج های خنک کننده مدار باز
عملکرد برج های خنک کننده مدار باز چگونه است؟
دستگاه کولینگ تاور مدار باز (Open Circuit Cooling Tower) یک مبدل حرارتی است که برای خنک کردن آب از تماس مستقیم آب و هوا استفاده می کند. در برج خنک کننده مدار باز، آب ورودی (نیازمند خنک کاری) به بخش بالایی برج خنک کننده پمپ می شود و از آنجا وارد برج می گردد. نازل ها این آب را بر روی پکینگ کولینگ تاور توزیع می نمایند و آب به صورت یک لایه نازک و یکنواخت بر روی پکینگ ها جاری می‌شود و این امر موجب افزایش سطح تماس (تبادل حرارتی) آن با هوا می‌شود. فن نیز هوای اتمسفر را بر روی پکینگ اسپلش به گردش در می آورد. هوای ورودی آب را به دو طریق متفاوت خنک می کند؛ بخشی از حرارت در نتیجه جریان همرفت هوا (تماس بین آب گرم و هوای سردتر) دفع می شود، اما بخش عمده خنک کاری به دلیل تبخیر بخشی از آب وارد شده به سیستم رخ می‌دهد. بدین صورت میتوان آب را تا دمایی پایین تر از دمای محیط خنک نمود. پس از ریزش آب از پکینگ ها، آب خنک شده درون تشتک برج انباشته شده و در نهایت به سیکل سیستم باز می‌گردد. هوا نیز که با رطوبت اشباع شده است، از بخش بالایی برج خنک کننده خارج می گردد. قطره‌گیر نصب شده در بالای نازل ها نیز از خروج قطرات آب از برج خنک کننده جلوگیری می کند.
ساختار و نحوه عملکرد برج خنک کننده مدار باز در تصویر زیر مشاهده می شود.
ویژگی ها و محدودیت های برج های خنک کننده مدار باز
متداول ترین نوع برج خنک کننده ای که امروزه در مقیاس گسترده‌ای مورد استفاده قرار میگیرد برج خنک کننده مدار باز است. برج های خنک کننده مدار باز به دلیل محدوده وسیع ظرفیت و ساختارهای موجود، هزینه سرمایه گذاری پایین و راندمان حرارتی بالای خود شناخته شده اند.
بنابراین در حالی که برج های خنک کننده مدار باز هزینه سرمایه گذاری کمتری در مقایسه با برج های خنک کننده مدار بسته دارند، اما به این دلیل رسوب گیری لوله ها مهندسان باید هزینه های بهره برداری مربوط به فیلتراسیون آب و هزینه های تعمیر و نگهداری مربوط به رسوب زدایی را نیز در نظر داشته باشند.
برج های خنک کننده مدار باز راندمان حرارتی بالاتری دارند و معمولاً آب خنک تری تولید می نمایند، چرا که به دلیل تماس بدون واسطه آب و هوا بخش زیادی از سرمایش ایجاد شده در برج خنک کننده مدار باز در نتیجه سرمایش تبخیری رخ می دهد. در مجموع می توان گفت بر اساس شرایط طراحی در ناحیه جغرافیایی، برج های خنک کننده مدار باز عملکرد کلی بهتری دارند زیرا برج خنک کننده قادر است آب خروجی را تا دمایی نزدیک به دمای حباب تر محیط خنک نماید.
همانطور که پیش تر نیز بیان شد در برج خنک کننده مدار باز، آبی که لازم است خنک شود پس از ورود به برج خنک کننده در تماس مستقیم با هوا قرار می گیرد و این آب در معرض هوای بیرون و تمام آلودگی های موجود در اتمسفر قرار میگیرد. بنابراین آلودگی های موجود در هوا، از طریق آب جبرانی وارد برج خنک کننده می‌شود، لذا نگهداری صحیح و کامل تمام تجهیزات برج خنک کننده مدار باز ضروری است. این موضوع نیز اهمیت فیلتراسیون و تصفیه آب در گردش سیستم را تشدید می کند. در صورتی که آب درون تشتک برج خنک کننده مدار باز کاملاً تصفیه نشود، به همین دلیل لوله های رسوب گرفته راندمان حرارتی برج خنک کننده در طول زمان کاهش می‌یابد. بنابراین در برج های خنک کننده مدار باز برای حفظ انتقال حرارت بهینه، لازم است برنامه پاکسازی سخت گیرانه و منظمی در نظر گرفته شود.
- برج های خنک کننده مدار بسته
عملکرد برج های خنک کننده مدار بسته چگونه است؟
برج خنک کننده مدار بسته (Closed Circuit Cooling Tower) یک مبدل حرارتی است که از تماس غیرمستقیم هوا و آب برای خنک کردن آب استفاده می کند. در برج خنک کننده مدار بسته برای جلوگیری از تماس مستقیم هوا با آب و مشکلات مربوط به آن، آب نیازمند خنک کاری موجود در کویل های برج خنک کننده به گردش در آمده و آب موجود در تشتک برج نیز پس از پمپ شدن به سمت بالای برج، توسط نازل هایی بر روی کویل های حاوی آب اسپری می شود. در برج خنک‌کننده مدار بسته بخشی از خنک کاری مورد نظر در اثر تماس غیرمستقیم و تبادل حرارتی بین هوای ورودی به برج و آب موجود در کویل‌ها صورت میگیرد. همچنین در اثر پاشش آب بر روی کویل ها و برخورد ذرات آب با سطح داغ کویل و با همراهی جریان هوای در گردش درون برج، بخش کوچکی از آب اسپری شده تبخیر می شود و به دنبال آن آب درون کویل خنک می گردد. ادامه فرآیند خنک کاری نیز مشابه مراحل صورت گرفته در برج خنک کننده مدار باز انجام می شود.
ساختار و نحوه عملکرد برج خنک کننده مدار بسته در تصویر زیر قابل مشاهده است.
ویژگی ها و محدودیت های برج های خنک کننده مدار بسته
استفاده از کویل ها در برج خنک کننده مدار بسته باعث می شود آب نیازمند خنک کاری از آب موجود در برج خنک کننده جدا شود و به این صورت از تماس بین آب خروجی از برج خنک کننده و هوا نیز جلوگیری به عمل می آید. به همین دلیل این آب فاقد آلودگی و ناخالصی بوده و نیازی به تأمین آب جبرانی نخواهد بود. بنابراین در مواردی که آب نیازمند خنک کاری نمی تواند در تماس با هوا قرار بگیرد (به عنوان نمونه در صنایع غذایی و …) ضروری است که از برج خنک کننده مدار بسته استفاده شود.
در نتیجه در صورت به کارگیری برج های خنک کننده مدار بسته، رسوب بر روی سطوح داخلی کویل های حرارتی درون برج و سایر تجهیزات مرتبط مانند کندانسورها ایجاد نمی گردد. بنابراین از آن جایی که استفاده از برج خنک کننده مدار باز می تواند ریسک قابل توجهی از نظر رسوب‌گیری تجهیزات موجود در تأسیسات سرمایشی داشته باشد، در مناطقی که سختی آب بسیار بالا است برج خنک کننده مدار بسته بهترین گزینه می باشد. همچنین به دلیل کاهش قابل توجه میزان رسوب و گرفتگی در این برج‌ها، استفاده از تکنولوژی مدار بسته در برج های خنک کننده میتواند به کاهش یا حذف نیاز به تصفیه فیزیکی/شیمیایی آب های موجود در سیستم برج خنک کننده و هزینه های ناشی از آن کمک نماید.
عملکرد حرارتی کلی برج های خنک کننده مدار بسته پایدارتر است و از آن جایی که سطوح انتقال حرارت برج های خنک کننده مدار بسته رسوب کمتری دارند، در مدت زمان طولانی راندمان حرارتی بالاتری خواهند داشت. بنابراین در بسیاری از کاربردهای سرمایشی به دلیل قابلیت فعالیت طولانی مدت برج خنک کننده مدار بسته در اوج راندمان از آنها استفاده می‌شود. به عنوان مثال، ساختمان های مجهز به پمپ حرارتی با منبع آب که به طور وسیعی در ساختمان های اداری، هتل ها و مراکز درمانی استفاده می شوند، یکی از رایج ترین موارد کاربرد برج های خنک کننده مدار بسته هستند. همچنین استفاده از برج های خنک کننده مدار بسته برای مراکز اطلاعاتی، واحدهای ذخیره کننده، گلخانه ها، چیلرهای تراکمی با راندمان بالا و انواع مختلف صنایع فرآیندی جهت کاهش دمای سیالات فرآیند در کارخانه ها رایج است.
در برج خنک کننده مدار بسته به دلیل عدم تبخیر آب خنک کاری شده درون کویل ها نیازی به افزودن آب جبرانی نیست و اتلافات آب مربوط به فرآیند تبخیر در برج خنک کننده مدار بسته نیز، بسته به نوع تجهیز سرمایشی متصل به سیکل مورد نظر کاهش می یابد یا به صفر می رسد. بنابراین مصرف آب در برج های خنک کننده مدار بسته در مقایسه با برج های خنک کننده مدار باز بسیار کمتر است. به همین دلیل استفاده از برج های خنک کننده مدار بسته در مناطق خشک و کم آب با وجود هزینه سرمایه گذاری بالاتر آن ها در مقایسه با برج خنک کننده مدار باز، گزینه مناسب تری است.
همچنین برج های خنک کننده مدار بسته در مقایسه با برج خنک کننده مدار باز با ظرفیت مشابه، معمولاً به توان اسب بخار کمتری برای پمپ کردن آب نیاز دارند. بنابراین در برج های خنک کننده مدار بسته، کاهش هزینه های مصرفی قابل ملاحظه ای در ارتباط با کاهش توان اسب بخار مورد نیاز برای پمپ کردن، حذف شیرهای گران قیمت و تجهیزات و لوله‌کشی های اضافی مربوط به تأمین آب جبرانی حاصل می شود. علاوه بر این ها در برج های خنک کننده مدار بسته با کاهش ضرورت تصفیه فیزیکی و شیمیایی آب، کاهش مصرف آب و کاهش عملیات نگهداری آنها در نهایت کاهش هزینه های مصرفی را در پی خواهد داشت. بنابراین اگرچه هزینه سرمایه گذاری برج های خنک کننده مدار بسته به دلیل دارا بودن تجهیزاتی همچون کویل های تبادل حرارت و پمپ آب اضافی در مقایسه با برج های خنک کننده مدار باز بسیار بیشتر است، اما هزینه های بهره برداری، نگهداری و نصب تجهیزات اضافه در برج خنک کننده مدار باز نیز باید در نظر گرفته شوند.
به دلیل آن که آب خنک و تمیز تأمین شده در برج خنک کننده مدار بسته نیاز به نگهداری و لوله ها و تمام تجهیزات مرتبط با برج خنک کننده را کاهش می دهد، طول عمر برج خنک‌کننده مدار بسته طولانی تر می باشد. همچنین موجب کاهش خرابی های برج خنک کن می‌شود که برای مراکز اطلاعاتی و برخی کاربردهای نیازمند سرمایش ضروری بسیار حائز اهمیت است.
برج های خنک کننده مدار بسته همچنین مزیت هایی از جهت فعالیت در دماهای محیط نزدیک به صفر برای سیستم های خنک کننده ایجاد می کنند. در حالی که برخی از انواع برج های خنک کننده مدار بسته ممکن است هنوز تا حدی به پیشگیری از انجماد نیاز داشته باشند، تمام برج های خنک کننده مدار باز باید به گرمکن های تشتک و یک سیستم تخلیه-برگشتی یا گردشی برای مواقع توقف فعالیت سیستم در شرایط یخزدگی مجهز شوند.
برج های خنک کننده مدار بسته در فصول سرد قابلیت ایجاد سرمایش خشک را دارند. بنابراین اگر شرایط هوای بیرون مطلوب باشد (در فصول زمستان و پاییز)، به طوری که عملیات خنک کاری در برج خنک کننده مدار بسته بتواند تنها توسط فن های برج انجام شود، جریان انرژی پمپی که آب را برای پاشش توسط نازل ها از تشتک به سمت بالای برج انتقال می دهد می تواند قطع شود و این موضوع نه تنها مصرف آب را تا حد زیادی کاهش می دهد، بلکه با خاموش شدن پمپ گردشی در مصرف انرژی نیز صرفه‌جویی می گردد.
عملکرد برج های خنک کننده مدار باز تا حد زیادی به دمای محیط وابسته است و رطوبت هوا عامل مهمی در عملکرد این گونه از برج های خنک کننده نیست. بنابراین بر خلاف برج های خنک کننده مدار باز، برج های خنک کننده مدار بسته در مناطقی با رطوبت نسبی بالا هم قابل استفاده هستند.
لازم به ذکر است که برج های خنک کننده مدار باز برای نصب و راه اندازی به مساحت و ارتفاع زیادی نیاز ندارند و به همین دلیل در محیط هایی که فضای محدودی دارند نیز قابل استفاده هستند