[تجهیزات انتقال حرارت] - برج خنک‌کن - cooling tower

[P O U R I A]

برج خنک‌کن (cooling tower) یک وسیله برای خارج کردن حرارت (heat removal) است که برای انتقال حرارت تلف شده (waste heat) یک فرآیند به اتمسفر به کار می‌رود. برج‌های خنک‌کن برای خارج کردن حرارت فرآیند می‌توانند از تبخیر آب استفاده و سیال کاری (working fluid) را تا دمای هوای حباب تر (wet bulb) خنک کنند و یا در برج‌های خنک‌کن مدار بسته خشک (closed circuit dry cooling towers) با استفاده از هوا، سیال کاری را تا نزدیک دمای حباب خشک (dry bulb) هوا خنک کنند.
آب خنک‌کنی که از کندانسور یک نیروگاه می‌گذرد و یا در یک پلانت شیمیایی به کار می‌رود، اغلب باید خنک شود که این کار معمولا در تماس با هوا انجام می‌شود. وسایلی که این کار را انجام می‌دهند، برج‌های خنک‌کن (cooling towers) نام دارند.
دسته‌بندی برج‌های خنک‌کن بر اساس موارد زیر انجام می‌شود:

• تماس بین آب و بخار مستقیم و یا غیر مستقیم باشد
• گردش هوای ایجاد شده به صورت طبیعی (گرانشی) و یا مکانیکی باشد

دسته‌بندی انجام شده شامل همه انواع برج‌خنک‌کن نمی‌شود، به عنوان مثال برج‌های خشک-تر (wet-dry towers) و یا برج‌هایی که از مکش طبیعی و مکانیکی استفاده می‌کنند وجود دارد.
کاربردهای معمول برج‌های خنک‌کن شامل خنک‌کاری آب خنک‌کن مورد استفاده درپالایشگاه‌های نفت خام، پتروشیمی و پلانت‌های شیمیایی دیگر، نیروگاه‌های حرارتی و سیستم‌های تهویه مطبوع ساختمانی می‌شود. انواع اصلی برج‌های خنک‌کن شامل برج‌های خنک‌کن مکش طبیعی (natural draft) و برج‌های خنک‌کن با مکش مکانیکی (mechanical draft) می‌شود.



اندازه برج‌های خنک‌کن از یونیت‌های کوچک نصب شده بر روی بام تا سازه‌های هذلولوی تا ارتفاع 200 متر و قطر 100 متر و یا سازه‌های مستطیلی با بیش از 40 متر ارتفاع و 80 متر طول متغیر است. برج‌های خنک‌کن هذلولوی اغلب در نیروگاه‌های حرارتی به کار می‌روند، اگرچه گاهی در پلانت‌های شیمیایی و صنعتی دیگر نیز کاربرد دارند. اگرچه این برج‌های بزرگ بسیار در معرض دید هستند، بخش زیادی از برج‌های خنک‌کن بسیار کوچک‌تر هستند که شامل واحد‌هایی می‌شود که در کنار ساختمان‌ها برای خارج کردن حرارت از سیستم تهویه مطبوع به کار می‌روند.

 

[P O U R I A]

دسته‌بندی برج‌های خنک‌کن بر اساس کاربرد


برج‌های خنک‌کن تهویه مطبوع

یک برج خنک‌کن تهویه مطبوع (HVAC cooling tower) برای خارج کردن حرارت ناخواسته ازچیلر (chiller) به کار می‌رود. چیلرهای خنک‌شده با آب (water-cooled chillers) از چیلرهای خنک‌شده با هوا (air-cooled chillers) دارای کارایی انرژی بیش‌تری هستند زیرا حرارت در نزدیکی دماهای حباب تر (wet-bulb temperatures) به آب داده می‌شود. چیلرهای هوا خنک باید حرارت را در دمای خشک بالاتری پس دهند و به همین دلیل دارای میانگین راندمان سیکل معکوس کارنو کم‌تری هستند. ساختمان‌های اداری بزرگ، بیمارستان‌ها و مدارس معمولا از یک یا چند برج خنک‌کن به عنوان بخشی از سیستم تهویه خود استفاده می‌کنند. معمولا برج‌های خنک‌کن صنعتی بسیار بزرگ‌تر از برج‌های خنک‌کن HVAC هستند.



برج‌های خنک‌کن HVAC در کنار یک چیلر آب خنک یا کندانسور آب خنک (water-cooled condenser) کاربرد دارند. یک تن تهویه‌ای به عنوان خارج کردن 12000Btu/hr یا 3500W حرارت تعریف می‌شود. تن معادل در سمت برج خنک‌کن شامل دفع حدود 15000Btu/hr یا 4400W حرارت به محیط می‌شود که این مقدار تفاوت به دلیل انرژی مورد نیاز برای راندن کمپرسور چیلر می‌باشد.


برج‌های خنک‌کن صنعتی

برج‌های خنک‌کن صنعتی برای دفع حرارت از منابع مختلفی همانند ماشین‌آلات یا مواد فرآیندی حرارت‌دیده به کار می‌روند. استفاده اصلی برج‌های خنک‌کن صنعتی بزرگ شامل خارج کردن حرارت جذب شده در سیستم‌های آب خنک‌کن در گردش در نیروگاه‌ها، پالایش‌گاه‌های نفتی، پلانت‌های پتروشیمی، پلانت‌های فرآیندی گاز طبیعی، پلانت‌های فرآیندی غذایی، پلانت‌های نیمه‌رسانا و تجهیزات صنعتی دیگر همانند کندانسور برج‌های خنک‌کن برای خنک‌کاری مایع در کریستال‌سازی و مانند آن می‌باشد. نرخ گردش آب خنک‌کن در یک نیروگاه معمولی 700 مگاواتی دارای برج خنک‌کن حدود 71600 متر مکعب در ساعت است که این آب در گردش نیاز به یک منبع آب جبرانی با نرخ حدود 6 درصد دارد.




اگر همان نیروگاه برج خنک‌کن نداشته باشد و از آب خنک‌کن یک‌بار گذر (once-through cooling water) استفاده کند، نیاز به حدود 000'100 متر مکعب در ساعت آب خنک کن دارد و این میزان آب باید به صورت پیوسته به اقیانوس، دریاچه و یا رودخانه‌ای که از آن آمده است برگشت داده شود. علاوه بر آن تخلیه میزان زیاد آب گرم می‌تواند دمای رودخانه دریافت‌کننده یا دریاچه را تا میزان غیر قابل قبول توسط اکوسیستم محلی بالا ببرد. به جای آن برج خنک‌کن برای دفع حرارت به اتمسفر به کار می‌رود و باد و نفوذ هوا نسبت به دفع حرارت به آب حرارت را به منطقه وسیع‌تری پخش می‌کنند.

پالایش‌گاه‌های نفتی نیز از سیستم‌های برج خنک‌کن بسیار بزرگ استفاده می‌کنند. یک پالایش‌گاه معمولی بسیار بزرگ که 40000 تن (000'300 بشکه) نفت خام در روز تصفیه می‌کند، حدود 80000 کیلوگرم در ساعت آب را در سیستم برج خنک‌کن می‌چرخاند. بلند‌ترین برج خنک‌کن دنیا دارای 202 متر ارتفاع است که در نیروگاهی در هند قرار دارد.

 

[P O U R I A]

دسته‌بندی برج‌های خنک‌کن بر اساس ساخت


برج خنک‌کن نوع پکیجی (package type)

این نوع از برج‌های خنک‌کن در کارخانه مونتاژ می‌شوند و می‌توانند به دلیل این که جمع و جور هستند، بر روی کامیون حمل شوند. به این دلیل ظرفیت برج‌های نوع پکیجی محدود است و معمولا در سیستم‌های دارای دفع حرارت محدود همانند پلانت‌های پروسس غذا، پلانت‌های کاغذ، برخی از پلانت‌های پروسس شیمیایی یا ساختمان‌هایی همانند بیمارستان‌ها، هتل‌ها، بازارها، کارخانه‌های اتومبیل و مانند آن به کار می‌روند. به دلیل کاربرد زیاد در نزدیکی مناطق مسکونی، کنترل سطح صوت در برج‌های خنک‌کن پکیجی مهم‌تر است.



برج خنک‌کن نوع ساخته‌شده در محل (field constructed type)

تاسیساتی همانند نیروگاه‌ها، پلانت‌های پروسس فولاد، پالایش‌گاه‌های نفتی یا پلانت‌های پتروشیمی، معمولا از برج‌های خنک‌کن ساخته شده در محل استفاده می‌کنند زیرا دارای ظرفیت بالاتری برای دفع حرارت هستند. برج‌های نصب شده در محل معمولا دارای سایز بزرگ‌تری در مقایسه با برج‌های خنک‌کن پکیجی هستند.

 

[P O U R I A]

روش‌های انتقال حرارت در برج‌های خنک‌کن

بر اساس مکانیزم انتقال حرارت به کار رفته، انواع اصلی عبارتند از:

برج‌های خنک‌کن خشک (dry cooling towers)

برج‌های خنک‌کن با تماس غیر مستقیم، همان‌گونه که از نام آن‌ها مشخص است، آب خنک‌کاری را به وسیله یک مانع جامد که معمولا دیواره یک لوله فلزی است، از هوا جدا می‌کنند. اغلب دیواره لوله در سمت هوا دارای فین است و انتقال حرارت را بهبود می‌بخشد. ساخت برج‌های با تماس غیر مستقیم که اغلب در مقابل انواع تر (wet) با تماس مستقیم، به نام خشک (dry) معروف هستند، گران‌تر است ولی از اتلاف آب به اتمسفر جلوگیری می‌کنند.



برج‌های خنک‌کن تر (wet cooling towers)

برج‌های خنک‌کن تر یا برج‌های خنک‌کن مدار باز (open circuit cooling towers) بر اساس اصول سرمایش تبخیری (evaporative cooling) کار می‌کنند. سیال عامل و سیال تبخیری که معمولا آب است یکی هستند.

زمانی که کمبود آب وجود نداشته باشد و بتوان آب تبخیر شده را جایگزین کرد و زمانی که آلودگی اتمسفر در اثر رطوبت قابل تحمل باشد، به هوا امکان تماس مستقیم با آب داده می‌شود. در نتیجه گرمای نهان تبخیر آب باعث افزایش ظرفیت خنک‌کاری با مقدار مشخصی از هوا می‌شود و همچنین در برج‌های مکش طبیعی، جرم مولکولی کم بخار باعث افزایش شناوری هوا در برج می‌گردد. انتقال حرارت با تماس مستقیم در هر دو تجهیز با مکش مکانیکی و مکش طبیعی وجود دارد.

در یک برج خنک‌کن تر یا برج خنک‌کن مدار باز، اگر هوا به نسبت خشک باشد، می‌توان آب گرم را تا دمای کم‌تر از دمای محیط سرد کرد. زمانی که هوای محیط از روی یک جریان آب می‌گذرد، بخش کوچکی از آب تبخیر می‌شود و انرژی مورد نیاز برای تبخیر آن بخش از آب از باقی مانده آب گرفته می‌شود که این باعث کاهش دما می‌گردد. در حدود 2250 کیلوژول انرژی برای تبخیر یک کیلوگرم آب مورد نیاز است. تبخیر باعث اشباع شدن هوا و کاهش دمای آب تا نزدیک دمای حباب تر (wet-bulb temperature) می‌شود که کم‌تر از دمای حباب خشک (dry-bulb temperature) محیط است که اختلاف این دو به وسیله رطوبت اولیه هوا تعیین می‌شود.

برای به دست آوردن کارایی بهتر یا کولینگ بیش‌تر، یک محیط واسطه به نام فیل (fill) برای افزایش سطح و زمان تماس بین هوا و آب به کار می‌رود. اسپلاش فیل (Splash fill ) یا پر‌کننده فورانی از موادی تشکیل شده است که برای نگه داشتن جریان آب و ایجاد فوران به کار می‌رود. فیلم فیل (Film fill) یا پر کننده فیلمی از ورق‌های نازک یا مواد همانند PVC تشکیل شده است که بر روی آن‌ها آب جریان می‌یابد. هر دو روش باعث افزایش سطح و زمان برخورد سیال آب و گاز هوا و افزایش انتقال حرارت می‌شوند.

 

[P O U R I A]

برج‌های خنک‌کن هایبریدی (hybrid cooling towers)



کولرهای سیالی (fluid coolers) یا برج‌های خنک‌کن مدار بسته (closed circuit cooling towers) برج‌های هایبریدی هستند که در آن‌ها سیال عامل از یک دسته لوله می‌گذرد و بر روی آن‌ها آب تمیز اسپری می‌شود و جریان هوایی توسط فن اعمال می‌شود. راندمان انتقال حرارت بسیار به راندمان برج‌های خنک‌کن تر نزدیک است، با این مزیت که این کولر خشک از سیال عامل در مقابل قرار گیری در معرض آلاینده‌های محیطی جلوگیری می‌کند.

 

[P O U R I A]

روش‌های ایجاد جریان هوا

بر اساس روش کشیدن هوا به داخل برج، سه نوع برج خنک‌کن وجود دارد:


درافت طبیعی (natural draft)

برج‌های خنک‌کن با درفت طبیعی، به کمک یک برج بلند، از نیروی شناوری (buoyancy) استفاده می‌کنند. هوای گرم و مرطوب به دلیل اختلاف دانسیته با هوای خشک و خنک‌تر خارج به بالا حرکت می‌کند. هوای گرم و مرطوب دانسیته کم‌تری از هوای خشک با همان فشار دارد. این نیروی شناوری هوای مرطوب و گرم باعث ایجاد جریان هوا از برج می‌شود.



حداقل هزینه بهره‌برداری به وسیله برج‌های خنک‌کن طبیعی (natural-draft cooling towers) با عمل گرانشی فراهم می‌شود که شامل دودکش‌های بلندی هستند که پایه آن‌ها به هوای اتمسفر باز است و هوایی که کشیده می‌شود از سطوح انتقال حرارتی که نزدیک بازشوهای پایین قرار دارند عبور می‌کند. هرچه دودکش بلندتر باشد، جریان هوا بیش‌تر می‌شود ولی در نتیجه آن هزینه اولیه بالاتر می‌رود؛ در نتیجه یک ارتفاع اقتصادی بهینه وجود دارد.


شکل هذلولوی (hyperboloid/hyperbolic) برج‌های خنک‌کن، تبدیل به طراحی استاندارد تمام برج‌های خنک‌کن شده است زیرا دارای استحکام سازه‌ای و کم‌ترین استفاده از مصالح هستند. شکل هذلولوی همچنین به شتاب‌دهی بیش‌تر جریان هوا به سمت بالا کمک می‌کند و راندمان کولینگ را افزایش می‌دهد.

 

[P O U R I A]

درافت مکانیکی (mechanical draft)



برج‌های خنک‌کن با درفت مکانیکی از فن‌های موتوری برقی برای فرستادن هوا به داخل برج استفاده می‌کنند. برج‌های خنک‌کن با مکش مکانیکی (mechanical-draft cooling towers) کوتاه‌تر هستند و در نتیجه هزینه ساخت آن‌ها کم‌تر است؛ ولی فن‌های آن‌ها که باعث سیرکوله شدن هوا می‌شود، مقدار زیادی انرژی الکتریکی مصرف می‌کنند. در این‌جا نیز باید یک اندازه بهینه به دست آورد. برج‌های خنک‌کن با درافت مکانیکی به دو دسته تقسیم می‌شوند:



برج خنک‌کن با درافت القایی (induced draft): یک برج با مکش مکانیکی با یک فن در خروجی (در بالا) برج است که هوا را از بالای برج می‌کشد. این فن هوای گرم مرطوب را به خارج از خروجی (discharge) القا می‌کند که باعث ایجاد سرعت کم در ورودی و سرعت زیاد در خروجی و کاهش احتمال گردش مجدد (recirculation ) جریان هوای تخلیه به ورودی هوا (air intake) می‌شود. این آرایشفن/فین (fan/fin arrangement) به عنوان کشش-گذر (draw-through) نیز شناخته می‌شود.



درافت اجباری (forced draft): نوعی برج با درافت مکانیکی است که دارای یک فن به شکل دمنده (blower type fan) در ورودی است. فن هوا را به داخل برج می‌فرستند و ایجاد سرعت‌های بالا در ورودی و سرعت‌های کم در خروجی می‌شود. سرعت خروج کم باعث افزایش احتمال گردش مجدد می‌شود. در صورت قرار داشتن فن در ورودی هوا، فن بیش‌تر در معرض پیچیدگی‌های ناشی از یخ‌زدگی قرار می‌گیرد. ایراد دیگر این است که طرح درافت اجباری معمولا نیازمند توان موتور بیش‌تری نسبت طرح درافت القایی است. مزیت طرح درافت اجباری، توانایی کار با فشار استاتیکی بالا است. چنین طرحی می‌توانند در فضاهای محدود‌تر و حتی در شرایط فضای داخل نصب شوند. این هندسه فن/فیل (fan/fill) همچنین به دمش-گذر (blow-through) معروف هستند.

 

[P O U R I A]

درافت طبیعی با فن کمکی (fan assisted natural draft)


برج خنک‌کن با درافت طبیعی با فن کمکی نوع ترکیبی است که شبیه آرایش درافت طبیعی می‌باشد و یک فن به جریان هوا کمک می‌کند.