برج خنك كننده (cooling tower) يا در اصلاح كولينگ تاور ماشين برودتي خنك كننده آب مي‌باشد كه به آن "برج خنك كن آب" نيز گفته مي‌شود. برج خنك‌كننده ماشين برودتي خنك كننده‌اي است كه قالباً در كاهش دادن دماي آب تا محدوده خاص بكار مي‌رود. كاهش دماي سيال آب در كولينگ تاور طبيعتاً تابع شرايط دمايي محيط محل نصب مي‌باشد. اين ماشين سرمايشي (برج خنك كننده) توسط آب حرارت ماشين‌آلات را جذب و آن را به محيط خارج هدايت مي‌كند.

جالب است بدانيد گرماي جذب شده از تجهيزات صنعتي در مكانيزم داخلي برج خنك كننده توسط هواي خشك به بيرون انتقال مي‌يابد. به بياني ديگر برج خنك كن نوعي تبادل كننده انرژي بين آب و هوا محسوب مي‌شود كه در واقع به آن، مبدل برودتي(heat exchanger) نيز مي‌گويند. در واقع اين منبع برودتي با ايجاد تماس و برخورد بين آب گرم و هواي محيط سبب تبادل شدن انرژي گرمايي مي‌شود. تبادل حرارتي از آب گرم به هواي خنك انجام مي‌پذيرد و اين موضوع سبب كاهش يافتن دماي آب مي‌گردد.

چرا از برج خنك كننده استفاده مي كنيم؟؟

شايد اين سوال بيايد كه چرا از برج خنك كننده استفاده مي كنيم؟ در پاسخ بايد اينطور بيان نمود كه برج خنك كننده مكمل هر دستگاه و ماشيني است كه در يك جهت خاص بكار برده مي شود. در واقع اينطور بايد بيان نمود هر ماشين صنعتي و هرگونه دستگاهي كه مورد استفاده قرار ميگيرد پس از مدتي گرم مي شود. براي خنك كردن تمامي ماشين آلات صنعتي مثل چيلر ، بويلر و غيره از هوا يا آب استفاده مي شود. آبي كه گرماي ماشين صنعتي را جذب كرده داغ شده و نيازمند دستگاهي است كه دماي آن را باز كاهش دهد. به عبارتي ديگر كولينگ تاور (نام ديگر برج خنك كننده) وظيفه باز چرخش آب جهت خنك كاري دستگاه هاي ديگر را برعهده دارد.

***نگاهي دقيق تر به كاركرد برج خنك كننده

آب سرد توليد شده در برج خنك كننده مجدداً انرژي اضافي تجهيزات را جذب و آن را مكرراً به هوا انتقال مي‌دهد. اين فرآيند يك سيكل تكراري است كه دماي كاري ماشين‌آلات صنعتي را دائماً ثابت نگه مي‌دارد. برج سردكن آب يا كولينگ‌تاور با توليد دائمي آب سرد مي تواند گرماي چيلر ، ديگ بخار يا كوره القايي را بگيرد.

كاهش دائمي دماي ماشين آلات و جذب گرماي اين تجهيزات جهت ثبات سيستم نياز است. فقدان گردش آب سرد موجب افزايش يافتن دماي اين تجهيزات و عدم كارايي مناسب آنها خواهد شد. پس لزوم استفاده از برج خنك كننده سبب ثبات "سيستم" با بالاترين راندمان خواهد شد. اين سيستم ممكن است چرخه تهويه مطبوع يك ساختمان مسكوني ، اداري و تجاري باشد و يا فرآيند توليد يك محصول خاص توسط يك ماشين صنعتي قلمداد گردد.

روش محاسبه توان يا ظرفيت برج خنك كننده

قابليت كولينگ تاور در دفع انرژي گرمايي از سيال آب و انتقال آن به هوا توان برودتي يا ظرفيت برج خنك كننده ناميده مي‌شود. به هر ميزان توان برودتي برج خنك كننده بالاتر باشد ميزان بيشتري از آب را قادر خواهد بود در زمان معين به دماي مطلوب برساند.  نوع سيال خنك كننده، ميزان حجم سيال در چرخش و اختلاف دماي ورودي و خروجي سيال در كولينگ تاور عوامل اصلي تعيين كننده ظرفيت مي‌باشد. به نرخ حجمي آب گردشي، دبي آب سيركوله (water flow rate) نيز گفته مي‌شود. البته فاكتور دماي محيط، دماي آب گرم و سرد نيز عوامل ديگر دخيل در شرايط طراحي مي‌باشد. اختلاف دماي ورودي و خروجي سيال را دلتاتي يا رنج (range) مي‌گويند.

مشخصه‌هاي تعيين كننده ظرفيت برج خنك كننده

• دبي جرمي سيال در گردش (گذر اسمي سيال)

• نوع سيال خنك‌شونده و تعيين ظرفيت گرمايشي ويژه

• دماي ورود و خروج سيال (دماي خروجي وابسته به محيط طراحي)

• ضريب تأثير طراحي در محاسبه ظرفيت نامي و تفكيك آن از توان واقعي

روش‌هاي محاسبه ظرفيت سرمايشي برج خنك كننده

•  معادلات ترموديناميكي حاكم بر شرايط طراحي (q=m*c*delta T)

• محاسبه براساس ظرفيت و نوع چيلر فقط در كاربري خنك كننده چيلر

• استفاده از نرم افزارهاي محاسباتي ظرفيت سرمايشي كولينگ تاور

 اطلاعات بيشتر در بخش محاسبات برج خنك كننده

منظور از تن تبريد در برج خنك كننده چيست؟

حتماً بارها شنيده‌ايد كه ظرفيت برج معادل 100 تن يا ظرفيت مدل مشخص چيلر معادل 200 تن مي‌باشد. منظور از كلمه "تن" در برج خنك كننده و چيلر همان ظرفيت سرمايشي دستگاه در خنك كردن آب مي‌باشد. كلمه تن در اين اصطلاح مهندسي، خلاصه شده كلمه "تن تبريد" يا "تن سرمايي" مي‌باشد. تن سرمايي يكي از واحدهاي انتقال حرارت و معيار سنجش قدرت دستگاه‌هاي برودتي به شمار مي‌آيد. واحد ترموديناميكي تن تبريد (RT) هم ارز يكاهايي همچون KW و BTU/H مي‌باشد. هر تن برودتي برابر با 3.51 كيلووات و برابر با 12 هزار بي تي يو بر ساعت مي‌باشد.

از برج خنك كننده چه استفاده اي مي شود؟

1-به منظور خنك كردن دستگاه‌هاي صنعتي مختلف

اكثر ماشين‌آلات صنعتي همانند كوره‌ها، بويلرها و توربين‌ها در چرخه‌كاري خود مقداري حرارت اضافي توليد مي‌كنند. وظيفه برج خنك كننده صنعتي در چرخه اين ماشين‌آلات و تجهيزات، جذب و دفع گرماي اضافي ايجادشده مي‌باشد. توربين‌هاي گازي در پالايشگاه‌ها، كمپرسورهاي هوا در نيروگاه‌ها و ديگ‌هاي بخار در صنايع از مهمترين تجهيزات سرد شده با كولينگ‌تاور به شمار مي‌آيد. وظيفه استخراج اين انرژي حرارتي به عهده سيال هوا است. كاربري ماشين‌هاي برودتي ديگر همچون چيلر نيز در صنايع كوچك و بزرگ رايج مي‌باشد. هزينه‌هاي بالا در مصرف انرژي، تعمير و نگهداري دشوار چيلرها، موجب استقبال صنعت از برج خنك كننده گرديده است.

2- جهت سرد نمودن چيلرهاي تهويه مطبوع ساختمانها در تابستان

اكثر ساختمان‌ها و برج‌هاي بزرگ، ادارات، بانك‌ها و مراكز خريد داراي سيستم تهويه مطبوع مركزي (HVAC) مي‌باشند. در سيستم‌هاي سرمايش مركزي از چيلرهاي تراكمي يا جذبي جهت خنك كردن هواي داخلي محيط استفاده مي‌كنند. گرماي جذب شده از يك منطقه ساختمان توسط چيلر سبب افزايش دماي اين ماشين برودتي مي‌شود. كولينگ تاور با هدف تعديل دماي چيلر در اين كاربري تحت عنوان برج خنك كننده چيلر مورد استفاده قرار مي‌گيرد. برج خنك كننده با توليد آب سرد و هدايت آن به كندانسور، موجب تعادل دمايي اين تجهيز مي‌شود. لازم به ذكر است كه فقط چيلرهايي كه داراي كندانسور آبي مي‌باشند از برج خنك‌كننده در مدار كندانسور خود استفاده مي‌نمايند. امروزه بيشتر چيلرهاي تراكمي و تمامي چيلرهاي جذبي داراي كندانسور آبي مي‌باشند.

انواع برج خنك كننده

• برج خنك كننده مدار باز (مرطوب)

برج خنك كننده مدارباز با ايجاد يك سطح تبادل تماس مستقيم بين هوا و آب سبب كاهش دماي آب مي‌شود. در اين مدل كولينگ تاور درصدي از آب دچار تبخير شده و وارد هواي ورودي مي‌شود. اين موضوع سبب مرطوب شدن هواي اطراف يا اشباع شدن آن مي‌گردد. بخاطر همين موضوع به اين مدل سيستم سردكننده برج خنك كننده مرطوب نيز گفته مي‌شود. آب خروجي از نازل يا اسپرينكلر شروع به ريزش بر روي پكينگها در تماس با هوا دچار  كاهش دما مي‌شود. به سيستم‌هاي مرطوب، مدارباز نيز گفته مي‌شود زيرا كه چرخه گردش آب در يك سيكل باز صورت مي‌پذيرد.

• برج خنك كننده مدار بسته خشك

در اين مدل كولينگ تاور ، آب در يك چرخه تماماً بسته (Close) در تماس با هواي خشك محيط خنك مي‌گردد. از اين رو اين نوع سيستم برودتي برج خنك كننده خشك نيز ناميده مي‌شود. اين نوع كولينگ‌تاور به دليل تماس مستقيم با هواي خشك محيط تابع دماي محسوس محل نصب (دماي جوي محيط) مي‌باشند. برج خنك كننده خشك يا مداربسته داراي سطوح انتقال حرارت از نوع شبكه‌هاي لوله و فين مي‌باشد. آب در گذر از اين شبكه‌ها در تماس با هواي ايجاد شده توسط فن يا پروانه، سرد مي‌گردد.

• برج خنك كننده هيبريدي (تركيبي)

نسل جديد تجهيزات برودتي تبخيري كه تركيبي از برج خنك كننده مدار باز و مداربسته مي‌باشد برج خنك كن هيبريدي نام دارد. جريان اصلي سيال آب در گذر از سطوح نفوذ حرارتي كويل توسط يك جريان ثانويه پاششي قرار مي‌گيرد. در اين تماس، گرما توسط نفوذ و هدايت از آب گرم كويل به آب سرد مدار پاشش انتقال مي‌يابد. مزيت بزرگ اين مدل برج خنك كننده كاهش دماي آب تا نزديكي دماي مرطوب محيط است. اين سيستم برودتي در عين حال هيچگونه رسوب گرفتگي و تبخيري ندارد.

انواع برج خنك كننده بر اساس نوع جريان هواي ورودي

• برج خنك كننده جريان مخالف يا كانتر فلو

كولينگ تاور كانترفلو داراي ورودي هوا از تمامي جوانب دستگاه در قسمت بالايي تشتك و بخش زيرين پكينگ‌ها مي‌باشد. جهت جريان هواي ورودي به برج خنك كننده جريان مخالف در جهت مخالف با جريان آب پاششي از نازل مي‌باشد. هوا در اين مدل از قسمت لوورهاي پايين وارد مي‌شود و از بخش بالاي تنوره فن خارج مي‌شود. كارايي اين مدل كولينگ‌تاور بسيار مناسب براي محيط‌هاي گرم و خشك مي‌باشد. در شهرهايي همانند يزد، شيراز، مشهد، تهران، اراك و اصفهان كه رطوبت نسبي هوا پايين مي‌باشد، بسيار كاربرد دارند. سيستم هاي كانترفلو راندمان بالاتري نسبت به سيستم كراس يا متقاطع دارند. البته كاربري اين سيستم‌ها در مناطق مرطوب و شرجي كارايي كمي دارد.

• برج خنك كننده جريان متقاطع يا كراس فلو

كولينگ تاور كراس فلو يا جريان عمود داراي دو ورودي اصلي هوا در دو طرف مي‌باشد. هوا در ورود به اين بخش به صورت عمود بر جريان ريزشي آب سبب سرد شدن اين سيال مي‌شود. برج خنك‌كننده جريان متقاطع به دليل تماس هواي تازه در سراسر قسمت پكينگ داراي عملكرد خوبي در مناطق شرجي مي‌باشد. در مناطق شمالي و جنوبي كشور عزيزمان كه به دليل نزديكي به دريا، رطوبت محيط محل نصب كولينگ تاور بالا مي‌باشد. در اين گونه مناطق اقليمي از كولينگ تاورهاي جريان متقاطع يا ابارا استفاده مي‌شود. شهرهايي همانند اهواز، ماهشهر، بوشهر، رشت، گرگان و ... بسيار مناسب جهت كاربري اين دستگاه مي‌باشد. اين مدل اولين بار توسط شركت ابارا ژاپن ايده پردازي شده است. به همين دليل به اين چنين سيستم هاي برودتي برج خنك كننده ابارا نيز گفته مي‌شود.

اجزاي داخلي و مهم برج خنك كننده

• الكتروموتور (motor): فراهم كننده گشتاور لازم جهت چرخش فن يا مولد انرژي مكانيكي

• فن يا پروانه (fan): به وجود آورنده فشار نسبي در هوا و جابجا كردن حجم مشخصي از سيال هوا

• سيستم انتقال قدرت(speed reducer): كاهش دهنده سرعت زاويه‌اي موتور (دور موتور) به سرعت چرخشي استاندارد فن

• گيربكس انتقال قدرت و كاهنده دور: جايگزين سيستم تسمه پولي در انتقال قدرت از دينام به پروانه

• سطوح خنك‌كن (fill): فيلينگ يا پوشال جهت ايجاد سطح انتقال حرارت مستقيم بين آب و هوا (در كولينگ تاورهاي مدار باز)

• كويل (coil): فراهم كننده سطح براي تبادل انرژي بين آب و هوا (در برج‌هاي خنك‌كننده مدار بسته)

• نازل (nozzle): تقسيم كننده جريان آب داغ ورودي در برج‌هاي مكعبي

• آب پخش كن (Sprinkler): توزيع كننده سيال گرم در كولينگ تاورهاي مخروطي

• لوله و انشعابات داخلي (pipe and fittings): منتقل كننده جريان آب در بخش‌هاي داخلي برج

• بست كمربندي (belt Fastener): متصل كننده انشعابات داخلي به نازلها يا افشانكها

• قطره‌گير (drift eliminator): بازدارنده پرتاب قطرات آب به سمت فن مكنده القايي

• تشتك (basin): محل جمع آوري آب سرد يا مخزن تجميع آب با دماي پايين

• كركره‌ها (louvre): دريچه داخل شدن هواي خشك و سرد محيط

• تنوره خروج هوا (fan deck): دهانه خروجي هواي اشباع داغ

• پنل (panel): ديواره هاي اصلي استراكچر يا بدنه

• ساپورت‌هاي حائل يا نگهدارنده (supports): قوطي‌هاي نگهدارنده پكينگ‌ها ، قطره گير و ساير تجهيزات دروني

• محافظ پروانه (fan Guard): محافظ فن در مقابل ضربات احتمالي يا ورود اشياء خارجي

• شاسي موتور(motor Chassis): فريم نگهدارنده دينام يا الكتروموتور

• فلنچ ورودي(inlet Flange): اتصال ورودي آب داغ

• فلنچ خروجي(outlet Flange): محل خروجي آب سرد

• فلوتر (floater): شناور تنظيم كننده جريان آب جبراني

• شير تخليه(drain valve): محل خروجي جريان بلودان(blow down)

• فلنچ سرريز (overflow): خروجي تخليه جريان مازاد آب

اجزاي كنترلي و جانبي برج خنك كننده

• سيستم كنترل دور متغير (VFD control):

اين بخش در قسمت تابلو كنترل وظيفه تنظيم دستي يا اتوماتيك دور خروجي موتور توسط تغيير فركانس را عهده‌پذير است.

• آنتي فريز در تشتك تجميع آب سرد (anti-freez):

داراي دو بخش هيتر و ترموستات مي‌باشد كه با قرارگرفتن در تشتك در زمستان از يخ زدن آب ممانعت مي‌نمايد.

• دك كاهش صداي فن (lower fan deck):

اين قطعه در زير قسمت كاهش دور بين فن و فولي نصب مي‌شود و لرزش‌هاي موجود پروانه را كاهش مي‌دهد.

•  لرزه گير مكانيكي (spring shock absorber):

سبب دمپ لرزشها و كاهش سطح ارتعاشات كولينگ‌تاور گشته و در انواع چيلرهاي تراكمي نيز كاربرد زيادي دارد.

• سيستم تخليه اتوماتيك آب بلودان (auto-drain):

بلودان هوشمندمجهز به يك TDS متر و شير برقي مي‌باشد كه عامل كاهش ميزان املاح سنگين در تشتك مي‌باشد.

• سيستم فيلتراسيون هوا (air filter):

توري‌هاي هواي فلزي(آلومينيوم) در پشت كركره‌ها نصب مي‌شود و از ورود ذرات معلق به داخل جلوگيري مي‌نمايد.

• سايد گلس يا پنل بازديد(side glass):

پنل شيشه‌اي يا تلقي كه موجب سهولت بازديد اپراتور از شرايط كاركرد برج خنك كننده در شرايط مختلف مي‌شود.

• پمپ شاور (pump):

اين بخش فقط در سيستم برج‌هاي خنك‌كننده هيبريدي به كار مي‌رود و آب را دائماً بر روي كويل پاشش مي‌كند.

• توري آشغال گير (trash trap):

اين تجهيز در جلوي فلنچ خروجي آب سرد نصب شده و باعث ممانعت از عبور آشغال‌هاي موجود در تشتك مي‌گردد.

• فيلتر ميكروني مدار آب جبراني(bag filter):

فيلتر كيسه‌اي سبب افزايش كيفيت آب جبراني و كاهش ميزان رسوب گرفتگي قطعات داخلي كولينگ تاور خواهد شد.