برج های خنک کننده مدار باز
عملکرد برج های خنک کننده مدار باز چگونه است؟
کولینگ تاور هیبریدی 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 خنککاری) به بخش بالایی برج خنک کننده ابارا پمپ می شود و از آنجا وارد برج میگردد. نازلها این آب را بر روی پکینگ های برج خنک کننده 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 ها 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 میگردد. قطره‌گیر نصب شده در بالای نازل ها نیز از خروج قطرات آب از برج خنک کننده جلوگیری می کند.
ویژگی ها و محدودیتهای برجهای خنککننده مدار باز
خرید برج خنک کننده مکعبی متداول ترین نوع برج خنک کننده ای که امروزه در مقیاس گسترده‌ای مورد استفاده قرار میگیرد برجخنککننده مدار باز است. برجهای خنککننده 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 برجهای خنککننده 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 هزینههای 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 مینمایند، چرا که به دلیل تماس بدون واسطه آب و هوا بخش زیادی از سرمایش ایجاد شده در برج خنککننده مدار باز در نتیجه سرمایش تبخیری رخ می دهد. در مجموع می توان گفت بر اساس شرایط طراحی در ناحیه جغرافیایی، برجهای خنککننده 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 خنککننده مدار باز، آبی که لازم است خنک شود پس از ورود به برج خنک کننده در تماس مستقیم با هوا قرار میگیرد و این آب در معرض هوای بیرون و تمام آلودگیهای 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 میکند. در صورتی که آب درون تشتک برج خنککننده مدار باز کاملاً تصفیه نشود، به همین دلیل لوله های رسوب گرفته راندمان حرارتی برج خنککننده 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 برجهای 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 میکند. در برج خنککننده مدار بسته برای جلوگیری از تماس مستقیم هوا با آب و مشکلات مربوط به آن، آب نیازمند خنک کاری موجود در کویلهای برج خنککننده 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 میشود. در برج خنککننده مدار بسته بخشی از خنککاری 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 میگردد. ادامه فرآیند خنککاری نیز مشابه مراحل صورت گرفته در برج خنک کننده مدار باز انجام می شود.
ساختار و نحوه عملکرد برج خنککننده مدار بسته در تصویر زیر قابل مشاهده است.
ویژگی ها و محدودیت های برجهای خنک کننده مدار بسته
استفاده از کویلها در برج خنک کننده مدار بسته باعث می شود آب نیازمند خنک کاری از آب موجود در برج خنککننده 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 برجهای خنککننده 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 میتواند ریسک قابل توجهی از نظر رسوب‌گیری تجهیزات موجود در تأسیسات سرمایشی داشته باشد، در مناطقی که سختی آب بسیار بالا است برج خنککننده مدار بسته بهترین گزینه میباشد. همچنین به دلیل کاهش قابل توجه میزان رسوب و گرفتگی در این برج‌ها، استفاده از تکنولوژی مدار بسته در برجهای 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 برجهای 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 خنککننده مدار بسته در اوج راندمان از آنها استفاده میشود. به عنوان مثال، ساختمانهای مجهز به پمپ حرارتی با منبع آب که به طور وسیعی در ساختمان های اداری، هتلها و مراکز درمانی استفاده می شوند، یکی از رایج ترین موارد کاربرد برجهای خنک کننده مدار بسته هستند. همچنین استفاده از برج های خنککننده مدار بسته برای مراکز اطلاعاتی، واحدهای ذخیرهکننده، گلخانه ها، چیلرهای تراکمی با راندمان بالا و انواع مختلف صنایع فرآیندی جهت کاهش دمای سیالات فرآیند در کارخانه ها رایج است.
در برج خنککننده مدار بسته به دلیل عدم تبخیر آب خنک کاری شده درون کویلها نیازی به افزودن آب جبرانی نیست و اتلافات آب مربوط به فرآیند تبخیر در برج خنککننده 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 برجهای خنککننده مدار باز بسیار کمتر است. به همین دلیل استفاده از برجهای خنک کننده مدار بسته در مناطق خشک و کم آب با وجود هزینه سرمایهگذاری بالاتر آنها در مقایسه با برج خنک کننده مدار باز، گزینه مناسب تری است.
همچنین برجهای 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 لوله‌کشیهای اضافی مربوط به تأمین آب جبرانی حاصل میشود. علاوه بر اینها در برجهای خنککننده 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 سرمایهگذاری برج های خنککننده مدار بسته به دلیل دارا بودن تجهیزاتی همچون کویل های تبادل حرارت و پمپ آب اضافی در مقایسه با برج های خنککننده 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 لولهها و تمام تجهیزات مرتبط با برج خنک کننده را کاهش می دهد، طول عمر برج خنککننده مدار بسته طولانیتر 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.
برجهای خنک کننده مدار بسته همچنین مزیتهایی از جهت فعالیت در دماهای محیط نزدیک به صفر برای سیستمهای 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.
برجهای خنککننده 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 میدهد، بلکه با خاموش شدن پمپ گردشی در مصرف انرژی نیز صرفه‌جویی می گردد.
عملکرد برجهای خنک کننده مدار باز تا حد زیادی به دمای محیط وابسته است و رطوبت هوا عامل مهمی در عملکرد این گونه از برجهای خنک کننده نیست. بنابراین بر خلاف برجهای خنک کننده مدار باز، برجهای 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.