تعریفی از صنعت برج های خنک کننده

دراکثر کارخانجات کوچک و بزرگ يکي از مهمترين و اساسي ترين دستگاهها مي توان انواع برجهاي خنک کننده را نام برد. برجهاي خنک کننده علاوه بر آب به منظور خنک کردن سيالاتي ديگر در صورت لزوم مورد استفاده واقع مي شود.
با توجه به اينکه برجهاي خنک کننده معمولاًً حجيم مي باشند و بعلت پاشيدن آب در محيط اطراف خود و خرابي تجهيزات آن را معمولاًٌ در انتهاي فرايند نصب مي کنند.
اگراز وسايل برجهاي خنک کننده صرف نظر نشود براي ساخت برج تکنولوژي بالايي نياز نيست همانطور که در ايران در حال حاضر ساخت اين برجها در حد وسيعي صورت مي گيرد. برجها با توجه به شرايط فيزيکي و شيميايي خاص خود دچار مشکلاتي مي شوند ولي معمولاٌ زماني لازم است تا اين مشکلات برج را از کار بياندازد طولاني است.،ولي عملاٌ اجتناب ناپذير است.

برج خنک کننده دستگاهي است که با ايجاد سطح وسيع تماس آب با هوا تبخير آسان مي کند و باعث خنک شدن سريع آب مي گردد.عمل خنک شدن در اثر از دست دادن گرماي نهان تبخير انجام مي گيرد، در حالي که مقدار کمي آب تبخير مي شود و باعث خنک شدن آب مي گردد.بايد توجه داشت آب مقداري از گرماي خود را به طريق تشعشع ،هدايتي وجابجايي و بقيه از راه تبخير از دست می‌دهد.
بيشتر دستگاههاي خنک کن از يک مدار بسته تشکيل شده اند که آب در اين دستگاهها نقش جذب ، دفع و انتقال گرما را به عهده دارد، يعني گرماي بوجود آمده توسط ماشين جذب و از دستگاه دور مي سازد. اين کار باعث ادامه کار يکنواخت و پايداري دستگاه مي شود.
در دستگاههايي که به دلايلي مجبوريم آب را بگردش در آوريم و يا به کار ببريم بايد بنحوي گرماي آب را دفع کرد. با بکار بردن برجهاي خنک کننده اين کار انجام مي گيرد. در تمام کارخانه ها تعداد زيادي دستگاههاي تبديل حرارتي (heat exchanger) وجود دارد که در بيشترآنها آب عامل سرد کنندگي است.
بدلايل زير آب معمولترين سرد کننده هاست:
1. بمقدار زياد وارزان در دسترس مي باشد.
2. به آساني آب را مي توان مورد استفاده قرار داد .
3. قدرت سرد کنندگي آب نسبت به اکثر مايعات( در حجم مساوي )بيشتر است.
4. انقباض و انبساط آب با تغيير درجه حرارت جزيي است.
هر چند که آب براي انتقال گرما بسيار مناسب است با بکار بردن آن باعث بوجود آمدن مشکلاتي نيز مي شود.
آب با سختي زياد باعث رسوب سازي در دستگاهها شده و همچنين از آنجايي که بيشتر اين دستگاهها از آلياژ آهن ساخته شده اند مشکل خوردگي بوجود مي ايد. از طرف ديگر بيشتر برجهاي خنک کننده در بر خورد مستقيم با هوا و نور خورشيد مي باشند محيط مناسبي براي رشد باکتريها و ميکرو ارگانيسم ها نيز مي باشد که آنها نيز مشکلاتي همراه دارند.
وارد شدن گرد و خاک بداخل برج نيز در بعضي مواقع ايجاد اشکال مي نمايد.در کل اين مشکلات باعث مي شود که بازدهي دستگاه کم شده و در نتيجه از نظر اقتصادي مخارج زيادتري خواهند داشت. در اين مجموعه طبيعت اين مشکلات و شرايط بوجود آمدن آنها و راههاي جلوگيري از آنها را بطور مختصر شرح خواهيم داد.موارد استفاده از برجهاي خنک کننده را نيز در بخش هاي ديگري از اين مجموعه را در بر مي گيرد.

◄ عموماً برجهاي خنک کننده (cooling tower) را به سه گروه تقسيم مي کنند:
1. برجهاي خنک کننده مرطوب
2. برجهاي خنک کننده مرطوب- خشک
3. برجهاي خنک کننده خشک
در برجهاي خنک کننده مرطوب، آب نقش اصلي و اساسي را داشته و هدف نيز همان خنک کردن آب است. اين نوع دستگاهها که خود به چند گروه و دسته تقسيم مي شوند در صنعت داراي کاربرد فراواني است.
از يرجهاي خنک کننده خشک بيشتر در مکانهاي که آب کافي براي خنک کردن برج وجود ندارد استفاده مي شود. عمل خنک کردن آب را نيز ميتوان از برجهاي سيني دار بصورت مرحله اي انجام داد.ولي عملاً بعلت وجود هزينه هاي زياد ساخت ،نگهداري و کنترل سيستم اين روش ، معمول نمي باشد.
براي انجام عمليات خنک سازي آب مي توان از برجهاي آکنده و سيني دار استفاده نمود.با وجود اين در مواردي که فازهاي مورد نظر آب و هوا با شند بعلت فراواني و ارزان بودن فازهاي فوق بدلايلي که در صفحه قبل ذکر شد از دستگاههاي ديگري استفاده مي گردد که ساختن و نگهداري آنها مستلزم هزينه هاي زيادي نمي باشد. از اين جهت بيشتر دستگاههايي که در مقياس صنعتي بکار مي رود ساختمان و خصوصيات بسيار عمده اي را دارا است که اينک به انواع مختلف اين دستگاهها اشاره مي شود.

◄ بررسي برجهاي خنک کننده و اجزاء آن:
برج خنک کننده : COOLING TOWER
برج خنک کن دستگاهي است که با ايجاد سطح وسيعي در تماس آب با هوا ، عمل تبخير را آسان نموده و در نتيجه باعث خنک شدن سريع آب مي گردد.
عمل خنک شدن در اثر از دست دادن گرماي نهان تبخير انجام مي گيرد در حالي که مقدار کمي آب بخار مي شود و سبب خنک شدن آب مي گردد.بايد توجه داشت که آب مقدار اندکي از گرماي خود را از طريق تشعشع (Radiation) ودر حدود 4/1آن را از راه هدايت (Conduction) و جابجائي (Convection) و بقيه را از راه تبخير از دست می‌دهد.
اختلاف فشار بخار آب بين سطح آب و هوا باعث تبخير مي شود.اين اختلاف بستگي به دماي آب و ميزان اشباع هوا از آب دارد.

مقدار گرماي که بوسيله مايعي جذب يا دفع مي شود از رابطه زير بدست مي ايد :
E=W×S×T
در رابطه بالا:
E :گرماي دفع يا جذب شده بر حسب BTU/hr يا CAL/hr
W :دبي مايع خنک شونده بر حسب lb/hr
S : گرماي ويژه مايع خنک کننده بر حسب lb.f/ Btu
T :کاهش دماي مايع خنک شونده بر حسب f

در حاليکه عمل خنک شدن از طريق تبخير انجام مي گيرد گر ماي نهان تبخير از دست داده شده بايد به آن اضافه گردد و آن برابر است با حاصل ضرب گرماي نهان تبخير در دبي .
مقدار تبخير بستگي دارد به سطح بر خورد آب با هوا و همچنين شدت جريان هوا دارد. براي اينکه حداکثر بهره برداري که در طرح آن بکار رفته است رعايت شود در برجهاي خنک کننده که آکنده هاي آن از نوع splash packing مي باشد آب به صورت قطره هاي در سطوح برج پخش مي شود تا سطح وسيعي بوجود ايد البته براي اين منظور مي توان از آکنه هاي نوع film packing نيز استفاده کرد.
جريان هوا در برج به صورت کشش طبيعي با استفاده از دودکش هاي هذلولي شکل يا کشش مکانيکي بوسيله بادبزنهاي مناسب در جهت مخالف آب ( counter-flow) و يا به طور متقاطع (cross-flow) با آن به جريان مي افتد .

◄ سيستم برج خنک کننده :
در سيستم برج خنک کننده آب گرم کندانسور از برج خنک کننده عبور مي کند و با هوا تماس مي يابد. در برجهاي خنک کننده با کشش طبيعي ،پوسته خارجي برج از بتن مسلح ساخته شده ودر روي پايه ها تکيه دارد . هوا از قسمت پائين وارد برج خنک کننده مي شود و به طرف بالا جريان مي يابد و از دهانه بالاي برج خارج مي گردد.
انواع ديگري از برجهاي خنک کننده که از چوب و ساير مصالح ساخته مي شود نيز وجود دارد.در برجهاي خنک کننده با کشش طبيعي هوا شکل برج طوري طراحي مي شود که جريان سريع هوا در داخل برج بوجود ايد.
آب گرم از کندانسور در ارتفاع 10 تا 15 متر بالاتر از سطح استخر به سيستم پخش کننده آب وارد مي شود . در برجهاي قديمي تر صفحه اي که آب خروجي از کندانسور به آن ريخته مي شود داراي سوراخهاي منظمي در قسمت پائين است که آب از داخل اين سوراخها به فنجانهاي زيرين مي ريزد. اين فنجانها باعث پاشش آب و تبديل آنها به قطرات کوچک مي شوند. يک سيستم خيلي جديد براي پخش آب در برج خنک کننده بکار بردن لوله هايي است که در سطح بالاي آن شيپوره هايي براي پاشش آب تعبيه شده است.
تبادل حرارت بين هواي بالارونده از برج و آبي که از برج سرازير است با تغيير حرارت محسوس در اثر اختلاف درجه حرارت بين آب و هوا انجام مي شود. سهم اين قسمت از تبادل حرارتي خيلي کم است و قسمت عمده تبادل در اثر تبخير مقدار کمي آب که پيوسته همراه هوا مي باشد،انجام مي شود. در اثر اين عمل مقدار زيادي گرما از آب سرازير شده در برج خنک کننده ( بستگي به مقدار آبي که تبخير شده است) به هوا منتقل مي گردد(Evaporating loss). ضمناً مقداري از قطرات آب بوسيله هوا بخارج از برج پراکنده مي شود(Windage loss). براي جلوگيري از خروج قطرات آب يک شبکه چوب در اطراف برج و حدود 3 متر بالاتر از توده تخته ها قرار دارد . کمبود آب تبخير شده در سيستم برج خنک کننده بايد از منبع خارجي جبران شود که به آن ،آب تکميلي يا آب جبراني (Makeup) گويند . براي اين منظور در صورت امکان از آب رودخانه استفاده کرد يا فاضلابها را تا حد امکان صاف و تصفيه کرده و استفاده نمود .
هنگاميکه از نظر فضاي ساختمان برج خنک کننده محدوديتي وجود داشته باشد ظرفيت برج خنک کننده راتا حد امکان با استفاده از بادبزنهاي مخصوص و بزرگي اضافه مي نمايند. اين بادبزنها مقدار عبورهواي خنک کننده در داخل برج را زياد مي نمايد .

◄ عوامل مؤثر در طراحي برجهاي خنک کننده :
عوامل مؤثر در طراحي برجهاي خنک کننده را بطور خلاصه مي توان بصورت زير بيان کرد :
1. ميزان افت درجه حرارت (اختلاف دماي ورودي وخروجي برج)
2. اختلاف بين درجه حرارت آب سرد و درجه حرارت مرطوب هوا
3. دماي مرطوب محيط : اصولاً خنک کردن آب زير اين دما غير ممکن است .
4. شدت جريان آب
5. شدت جريان هوا
6. نوع آکنه هاي برج
7. روش پخش آب
به تجربه ثابت شده است که براي هر 10 درجه فارنهايت افت دما در برج خنک کننده ميزان تبخير در حدود يک درصد کل آب در حال گردش مي باشد .
چون نمک هاي کلرور حلاليت زيادي دارند غلظت يون کلر در آب ورودي به برج وآب در حال گردش راهنماي بسيار خوبي براي تعيين غلظت بوده و بنابراين هميشه بايد آنرا بازديد و بررسي نمود .
افزايش غلظت مواد محلول و مواد معلق در آب در حال گردش در برج خنک کننده ايجاد اشکال مي نمايد که براي جلوگيري از افزايش غلظت مواد محلول و مواد معلق مقداري از آب در حال گردش را تخليه مي کنند که اين آب در صنعت به زير آب (Blow down) معروف است .
مقدار آب برج همچنين ممکن است تصادفي يا بوسيله باد تقليل يابد . اصولاً در برجهاي خنک کننده مقداري آب بصورت گرد درآمده و توسط باد يا کشش از برج خارج مي شود .
مقدار تخليه لازم در يرج براي کنترل مواد محلول و معلق مجاز را مي توان از رابطه زير بدست آورد :
M=(B+W)*C
که در رابطه فوق
B : مقدار زير آب بر حسب gal/hr يا m3/hr
E : مقدار آب تبخير شده بر حسب gal/hr يا m3/hr
C : ضريب غلطت پيشنهاد شده براي برج
W : مقدار آبي که توسط باد خارج مي شود بر حسب gal/hr يا m3/hr
مقدار آبي که باد همراه خود از برج خارج مي سازد در رابطه بالا منفي است ،زيرا آب مواد محلول و معلق را نيز با خود مي برد . بنابراين تاثير در غلظت و بالا بردن املاح آب ندارد .
مقدار آب لازم جهت آب کسري برج از رابطه زير بدست آورد :
MAKE UP = E +B + W
اطلاعاتي که از طرف خريداران در اختيار فروشندگان قرار مي گيرد در طرح برج اهميت فراواني دارد . مانند اختلاف دما ، مقدار آب در حال گردش ،مقدار زير آب .
کمبود آب در اثر تبخير و باد را با استفاده از رابطه هاي بالا بررسي مي کنند .

◄ قسمتهاي اصلي برج خنک کننده:

الف) لوله ها و آکنه ها
شامل قسمتهاي هستند که درجريان انتقال حرارت دخالت داشته در ضمن باعث مي شود که مقدار آب گرد شده که همراه باد خارج مي شود کم شده و از خروج آنها از برج جلوگيري شود.همچنين نگهدار خوبي براي قسمتهاي ديگر برج مي باشد . در مورد مشخصات آکنه ها در همين فصل توضيح داده خواهد شد.

ب)حوضچه
حوضچه در پائين برج قرار دارد که آب خنک کننده در آن جمع مي گردد.به حوضچه يک جريان بنام آب تکميلي يا آب جبراني (MAKE UP) وارد مي شود و يک جريان براي استفاده در دستگاههاي تبادل حرارت از آن خارج مي گردد .علاوه بر جمع آوري آب در حوضچه ،آب قبل از اينکه به سمت کندانسور پمپ شود صاف نيز مي گردد.
حوضچه هاي برجهاي بزرگ و مفيد از بتن ساخته شده اند .عموماً اين حوضچه ها طوري طراحي مي شوند که برج بدون اضافه کردن آب جبراني مي تواند براي چندين ساعت کار کند .
از زهکش براي برطرف کردن لجن ته نشين شده و کنترل سطح آب در حالتي که جريان موج دار که در کف قرار دارد ترک مي کند و به ميان سرندي که از ورود اشغال تجمع يافته به ورودي پمپ جلوگيري مي کند ،مي ريزد .

پ)بادبزنها
در برجهاي خنک کننده با کشش مکانيکي باد بزنهاي نصب مي شوند تا جريان هواي لازم را جهت عبور از آکنه ها توليد نمايد .بادبزنها در برجهاي خنک کننده با کشش مکانيکي کاربرد دارند . توضيح در اين مورد ضرورتي ندارد و به همين مقدار اکتفا مي شود

ت) حذف کننده ها
اين وسيله از خارج شدن قطرات آب بوسيله کشش هوا از برج جلوگيري بعمل مي آورد . تيغه ها معمولاًطوري نصب مي شوند که با سطح افق زاويه اي در حدود 45 درجه بسازد .جنس اين تيغه ها از چوب ، فلز يا پلاستيک ممکن است ساخته شده باشند .درباره کشش و حذف کننده هاي کشش بعداً مفصلاً توضيح داده خواهد شد .

ث) آکنه ها
دو نوع آکنه ها که در برجهاي خنک کننده ممکن است مورد استفاده قرار گيرد عبارتند از :
1. SPLASH PACKING
2. FILM PACKING
1. SPLASH PACKING :
در اين نوع آکنه ها آب بر اثر برخورد با تيغه ها پخش و به صورت قطره قطره در آمده که در نتيجه ايجاد سطح وسيع مي نمايد .از آنجايکه قطرات آب همراه پيوسته بوده و وزن سنگين دارند اين نوع دسته بندي ممکن است در اثر جريان دائمي از هم گسيخته گردد.

2. FILM PACKING :
در اين نوع آکنه ها سطح وسيع از آب در اثر جريان آن در روي تيغه ها بوجود مي ايد . به طرق گوناگون مي توان چنين سطح وسيعي ايجاد کرد
a. GIRD PACKING
در اين نوع آکنه ها از يک سري شبکه هاي که معمولاً از چوب بوده و روي يکديگر قرار گرفته اند استفاده مي شود .اين شبکه ها طوري نصب گرديده که همراه هر شبکه با شبکه هاي اطراف خود زاويه 90 درجه مي سازند وباين شکل در سطوح شبکه ها پخش مي گردد .
b. RANDOM PACKING
اين نوع آکنه ها موادي با سطح زياد درست شده که به طور نا منظم در داخل برج قرار دارند . يکي از دلايل نا مرغوب بودن اين نوع آکنه ها ايجاد مقاومت زياد در مقابل جريان هوا مي باشد . اين نوع آکنه ها داراي قسمتهاي حلقوي است که قطر هر حلقه با طول آن برابر است . اين حلقه ها از جنس هاي مختلفي يوده وسطح تماس آب با هوا را زياد مي کنند.
c. PLATE TYPE FILM PACKING
اين نوع آکنه ها از صفحات نازک پلاستيکي چين دار ساخنه شده اند که با زاويه کمي کمتر از 90 درجه با سطح افق نصب شده اند. چين هاي روي صفحات باعث بوجود امدن سطح زياد مي گردند .
مشخصات و خصوصيات آکنه ها در بخش هاي اينده تشريح خواهد شد .آکنه ها بايد طورب انتخاب شوند تا هم سطح تماس آب و هوا براي نسبتهاي بالاي انتقال حرارت و انتفال جرم مناسب ياشند و هم مقاومت کمتري در مقابل جريان هوا داشته باشند .آکنه ها بايد محکم ، سبک و در برابر خوردگي و خراب شدن مقاوم باشد.

مشخصات و خصوصيات آکنه ها :
مشخصات و خصوصيات آکنه يک برج خنک کننده را در يک برج خنک کننده آزمايشي اندازه گيري مي کنند. يک نمونه از اين برج در نيروگاه برق groyden A در سال 1950 بنا شده بود و در آن زمان فکر مي کردند بزرگترين نوع خود در کشور باشد . در اين برج يک مقطع از آکنه با مربعي به ضلع 4 ft وعمق 8 ft را مي توان زير يک تغيير بار آب و هوا و اتلاف حرارتي براي اندازه گيري ضريب انتقال حجمي و مقاومت جريان هوا نصب و آز مايش کرد . بزرگي اين برج يک مسئله اساسي است در غير اينصورت مقدار آبي که به ظرف پائين ديواره ريزش مي کند کافي است تا بر روي دقت آزمايش تاثير بگذارد.
هر دو جريان آب وهوا توسط اوريفيس اندازه گيري مي شود . جريان آب بيشتر در مقابل يک حجم اندازه گيري شده تانک ، چک خواهد شد.