عملیات آبی در برج خنک کننده

برج خنک کننده دستگاهی است که برای کاهش دمای سیال (معمولاً آب) استفاده می شود. این کار با انتقال حرارت از سیال گرم به هوای خنک اطراف انجام می گیرد. در این فرایند، عملیات آبی نقش بسیار مهمی ایفا می کند.

مراحل عملیات آبی در برج خنک کننده

عملیات آبی در برج خنک کننده از مراحل زیر تشکیل می شود:

۱. پمپاژ آب گرم

اولین و مهم ترین مرحله در عملکرد یک برج خنک کننده، پمپاژ آب گرم به سمت بالای برج است. آب گرمی که نیاز به خنک شدن دارد، معمولاً از کندانسور یک سیستم تبرید (مانند کولر گازی بزرگ صنعتی یا سیستم های تهویه مطبوع مرکزی) یا از یک فرآیند صنعتی که در آن حرارت تولید می شود، تامین می گردد.

 یک پمپ با ظرفیت مناسب، آب گرم را از منبع خود دریافت کرده و با فشار کافی به سمت بالای برج خنک کننده هدایت می کند. این پمپ معمولاً از نوع سانتریفیوژ است و با استفاده از نیروی گریز از مرکز، آب را به سمت بالا می راند. آب گرم هم از طریق لوله هایی با قطر مناسب و مقاوم در برابر خوردگی به سمت برج هدایت می شود. این لوله ها باید به گونه ای طراحی شوند که از افت فشار و ایجاد اصطکاک جلوگیری کنند.

اهمیت این مرحله در عملیات آبی در برج خنک‌ کننده، سه مورد است. اولین مورد، تامین آب به برج می باشد. بدون پمپاژ آب، برج خنک کننده نمی تواند عمل کند. دومین مورد، ایجاد فشار کافی است. فشار کافی آب در ورودی برج باعث می شود که آب به صورت یکنواخت و با سرعت مناسب بر روی پکینگ های برج پاشیده شود. سومین مورد نیز تأثیر بر راندمان برج می باشد. فشار و دبی آب پمپاژ شده، به طور مستقیم بر راندمان برج خنک کننده تاثیرگذار است. اگر فشار آب کم باشد، آب به صورت یکنواخت بر روی پکینگ ها پاشیده نمی شود و در نتیجه راندمان برج کاهش می یابد.

عوامل موثر در انتخاب پمپ هم عبارتند از:

• دبی آب یا مقدار آبی که باید در واحد زمان پمپاژ شود.
• ارتفاع پمپاژ یا فاصله عمودی بین سطح آب در منبع و نقطه تخلیه آب در برج.
• فشار مورد نیاز برای غلبه بر اصطکاک در لوله ها و ایجاد پاشش مناسب آب.
• نوع سیالی که باید پمپاژ شود (آب، محلول های شیمیایی و …)
• دمای سیال بر ویسکوزیته آن تاثیر می گذارد و در انتخاب نوع پمپ موثر است.

۲. پاشش آب

در مرحله دوم عملیات آبی در برج خنک کننده، آب گرمی که از مرحله قبل به بالای برج پمپاژ شده است، به صورت قطرات ریز پاشیده می شود. این عمل از طریق نازل هایی که در بالای برج تعبیه شده اند انجام می گیرد. اهمیت پاشش آب سه چیز است. اولا باعث می شود که سطح تماس بین آب و هوا به شدت افزایش یابد. هرچه سطح تماس بیشتر باشد، تبخیر سریع تر انجام می شود. ثانیا پاشش یکنواخت آب بر روی تمامی سطح پکینگ ها باعث می شود که تمام سطح پکینگ ها به طور کامل مرطوب شده و در فرایند تبخیر مشارکت کنند. ثالثا با افزایش سطح تماس و تبخیر بیشتر، گرمای نهان تبخیر از آب گرفته شده و در نتیجه دمای آب کاهش می یابد.

تنظیم دقیق پاشش آب در عملکرد برج خنک کننده بسیار مهم است. پاشش بیش از حد آب می تواند باعث افزایش مصرف آب و ایجاد آبریز شود و پاشش کم آب نیز باعث کاهش راندمان برج می گردد. در کل، پاشش آب در برج خنک کننده یکی از مراحل کلیدی در فرایند خنک سازی است و نقش بسیار مهمی در افزایش راندمان برج دارد. نازل های مختلفی برای پاشش آب در برج های خنک کننده استفاده می شود که هر کدام ویژگی های خاص خود را دارند. برخی از انواع رایج این نازل ها عبارتند از:

• نازل های اسپری آب را به صورت قطرات ریز و یکنواخت پاشش می کنند.
• نازل های مه پاش قطرات بسیار ریز تولید می کنند که شبیه مه است و باعث افزایش سطح تماس می شود.
• نازل های چرخشی با چرخش آب را به صورت دایره ای پاشش می کنند.

۳. تبخیر

مرحله تبخیر، قلب تپنده عملیات آبی در برج خنک کننده است. در این مرحله، آب گرمی که از فرآیندهای صنعتی یا سیستم های تبرید به برج وارد شده است، با جذب انرژی گرمایی، به بخار تبدیل می شود. این فرآیند، نقش اساسی در کاهش دمای آب باقیمانده دارد. مکانیزم تبخیر در برج خنک کننده به شرح زیر است:

• تبدیل مایع به گاز: هنگامی که آب گرم به صورت قطرات ریز در معرض هوای محیط قرار می گیرد، مولکول های آب انرژی جنبشی خود را افزایش می دهند و از حالت مایع به گاز (بخار آب) تبدیل می شوند.
• جذب گرمای نهان تبخیر: برای تبدیل آب به بخار، به انرژی نیاز است. این انرژی از خود آب تامین می شود و باعث کاهش دمای آب باقیمانده می شود. به این انرژی، گرمای نهان تبخیر گفته می شود.
• تأثیر بر دمای آب: با تبخیر بخشی از آب، دمای آب باقیمانده کاهش می یابد. این آب خنک تر سپس به سیستم اصلی بازگردانده می شود.

عوامل موثر بر تبخیر در برج خنک کننده نیز عبارتند از:

• دمای آب: هرچه دمای آب ورودی به برج بیشتر باشد، میزان تبخیر نیز بیشتر خواهد بود.
• دمای هوا: دمای هوای محیط نیز بر میزان تبخیر تاثیرگذار است. هرچه دمای هوا کمتر باشد، اختلاف دمای آب و هوا بیشتر شده و میزان تبخیر افزایش می یابد.
• رطوبت نسبی هوا: رطوبت نسبی هوا نشان دهنده میزان بخار آبی است که در هوا وجود دارد. هرچه رطوبت نسبی هوا کمتر باشد، ظرفیت هوا برای جذب بخار آب بیشتر بوده و میزان تبخیر افزایش می یابد.
• سرعت باد: سرعت باد باعث افزایش نرخ تبخیر می شود، زیرا هوای مرطوب اطراف قطرات آب را به سرعت جابجا کرده و هوای خشک جدید را جایگزین می کند.
• سطح تماس آب و هوا: هرچه سطح تماس بین آب و هوا بیشتر باشد، میزان تبخیر نیز بیشتر خواهد بود. به همین دلیل، در برج های خنک کننده از پکینگ هایی استفاده می شود که سطح تماس را افزایش می دهند.
• فشار هوا: کاهش فشار هوا باعث کاهش دمای جوش آب می شود و در نتیجه تبخیر راحت تر صورت می گیرد.

۴. جریان هوا

در مرحله چهارم عملیات برج خنک کننده، جریان هوا نقش بسیار مهمی در فرایند تبخیر و خنک سازی آب ایفا می کند. اهمیت جریان هوا عبارتند از:

• تامین اکسیژن برای تبخیر: برای اینکه آب بتواند تبخیر شود، نیاز به اکسیژن موجود در هوا دارد. جریان هوا این اکسیژن را به سطح تماس آب و هوا می رساند.
• برداشت هوای گرم و مرطوب: هوای گرم و مرطوب حاصل از تبخیر باید از برج خارج شود تا فرایند تبخیر به طور مداوم ادامه پیدا کند. جریان هوا این هوای گرم و مرطوب را از برج خارج می کند.
• افزایش سرعت تبخیر: با افزایش سرعت جریان هوا، سطح تماس بین آب و هوا بیشتر شده و در نتیجه سرعت تبخیر افزایش می یابد.

۵. جمع آوری آب خنک

در این مرحله، آبی که پس از فرایند تبخیر و خنک سازی در برج باقی مانده است، جمع آوری می شود. پس از آنکه آب گرم به بالای برج پاشیده شد و بخشی از آن تبخیر شد و گرمای خود را از دست داد، آب باقی مانده که دمای آن به طور قابل توجهی کاهش یافته است، به سمت پایین حرکت می کند. این آب خنک شده در یک حوضچه یا مخزن جمع آوری می شود. اهمیت این مرحله سه چیز است:

• بازگرداندن آب به چرخه: آبی که در این حوضچه جمع آوری می شود، مجدداً به سیستم تبرید یا فرآیند صنعتی بازگردانده می شود تا دوباره گرم شود و به برج خنک کننده برگردد. این امر باعث می شود که از هدر رفت آب جلوگیری شود و مصرف آب به حداقل برسد.
• کنترل سطح آب در برج: با جمع آوری آب خنک در یک مخزن، می توان سطح آب در برج را به طور دقیق کنترل کرد. این کار باعث می شود که همیشه مقدار کافی آب در برج وجود داشته باشد و فرایند خنک سازی به طور مداوم انجام شود.
• جلوگیری از سرریز شدن آب: اگر آب جمع آوری نشود، ممکن است از برج سرریز شود و باعث ایجاد مشکلات زیست محیطی یا خسارت به تجهیزات شود.

۶. جبران آب تبخیر شده

همانطور که در مراحل قبلی توضیح داده شد، یکی از اصول کار برج خنک کننده، تبخیر بخشی از آب برای کاهش دمای آب باقی مانده است. این تبخیر مداوم باعث کاهش سطح آب در سیستم می شود. به همین دلیل، برای حفظ عملکرد صحیح برج و جلوگیری از آسیب به پمپ ها و سایر تجهیزات، لازم است آب تبخیر شده به طور مداوم جبران شود.

آب جبرانی یا آب میک آپ آبی است که برای جبران آب تبخیر شده به سیستم اضافه می شود. این آب معمولاً از منابعی مانند آب شهری، آب چاه یا آب تصفیه شده تامین می شود. در کل اهمیت جبران آب تبخیر شده سه مورد است. حفظ سطح آب، جلوگیری از غلظت املاح و تامین آب مورد نیاز برای تبخیر.

دو روش برای کنترل آب جبرانی وجود دارد. روش اول شیر کنترل سطح آب است. این شیر با توجه به سطح آب در حوضچه برج، میزان آب ورودی را تنظیم می کند. روش دوم هم کنترل خودکار می باشد. در سیستم های پیشرفته، از سیستم های کنترل خودکار برای تنظیم دقیق میزان آب جبرانی استفاده می شود.

این نکته را هم ذکر کنیم که کیفیت آب جبرانی بر روی عملکرد برج و عمر مفید تجهیزات آن تاثیرگذار است. آب جبرانی باید عاری از مواد جامد معلق، روغن و مواد شیمیایی مضر باشد. در برخی موارد ممکن است نیاز به تصفیه آب جبرانی قبل از ورود به سیستم باشد.

۷. خروج هوای مرطوب

در مراحل پیشین عملیات برج خنک کننده، آب گرم به قطرات ریز تبدیل شده و با هوا تماس پیدا می کند. در این تماس، بخشی از آب تبخیر شده و گرمای نهان تبخیر را از آب می گیرد. این فرایند باعث کاهش دمای آب می شود. هوای مرطوب هوایی است که حاوی بخار آب باشد. در برج خنک کننده، با تبخیر بخشی از آب، هوای اطراف به بخار آب اشباع شده و به هوای مرطوب تبدیل می شود.

به دو دلیل هوای مرطوب از برج خارج می گردد. اولا اگر هوای مرطوب از برج خارج نشود، رطوبت نسبی هوا در داخل برج افزایش یافته و به نقطه اشباع می رسد. در این حالت، تبخیر آب متوقف شده و فرایند خنک سازی مختل می شود. ثانیا با خروج هوای مرطوب، هوای تازه و خشک وارد برج شده و فرایند تبخیر مجدداً آغاز می شود.

 هوای مرطوب به دو صورت از برج خارج می شود. در اکثر برج های خنک کننده، از فن هایی استفاده می شود که با ایجاد فشار منفی در داخل برج، هوای مرطوب را به سمت بالا و خارج از برج هدایت می کنند. در برخی از برج های خنک کننده، از اختلاف دمای هوای داخل و خارج برج برای ایجاد جریان طبیعی هوا استفاده می شود. هوای گرم و سبک داخل برج به سمت بالا حرکت کرده و از طریق دهانه بالای برج خارج می شود.

انواع برج خنک کننده بر اساس جریان آب

برج های خنک کننده را می توان بر اساس معیارهای مختلفی دسته بندی کرد.

بر اساس جریان آب و هوا

در برج جریان متقاطع (Cross-flow) آب و هوا به صورت عمود بر هم جریان دارند. آب از بالا پاشیده می شود و هوا به صورت افقی از میان پکینگ ها عبور می کند. این نوع برج ها رایج ترین نوع برج های خنک کننده هستند. در برج جریان مخالف (Counter-flow) نیز آب و هوا در جهت مخالف یکدیگر جریان دارند. آب از بالا پاشیده می شود و هوا از پایین به سمت بالا حرکت می کند. این نوع برج ها راندمان بالاتری دارند اما پیچیده تر و گران تر هستند.

 بر اساس نوع جریان هوا

در برج خنک کننده با جریان هوای طبیعی جریان هوا به صورت طبیعی و با استفاده از اختلاف فشار هوا ایجاد می شود. این نوع برج ها معمولاً بزرگ تر و گران تر هستند. اما در برج خنک کننده با جریان هوای مکانیکی، از فن ها برای ایجاد جریان هوا استفاده می شود. این نوع برج ها کوچکتر و ارزان تر هستند و راندمان بالاتری دارند.

 بر اساس نوع تماس آب و هوا

در برج خنک کننده مدار باز، آب به صورت مستقیم با هوا در تماس است و بخشی از آن تبخیر می شود. این در حالی است که در برج خنک کننده مدار بسته آب در لوله های بسته جریان دارد و با هوا به صورت غیرمستقیم در تماس است.

بر اساس جنس بدنه

برج خنک کننده فایبرگلاس سبک، مقاوم در برابر خوردگی و ارزان تر هستند. برج خنک کننده فلزی نیز مقاوم تر و بادوام تر هستند اما سنگین تر و گران تر هستند. با این وجود برج خنک کننده بتنی بسیار مقاوم و بادوام هستند اما سنگین تر و گران تر هستند.

بر اساس نوع پکینگ

پکینگ های چوبی ارزان تر هستند اما عمر مفید کمتری دارند. پکینگ های پلاستیکی نیز در برابر خوردگی نسبتا مقاوم تر و بادوام تر هستند. همچنین پکینگ های فلزی کاملا مقاوم و بادوام هستند اما قیمت آن ها گران تر است.

سخن آخر

در این متن به تشریح عملیات آبی در برج خنک‌ کننده پرداختیم. این عملیات از چند مرحله تشکیل شده است که تک به تک آن ها را توضیح دادیم. این فرایند به طور معمول در صنایع مختلف مانند نیروگاه ‌ها، صنایع شیمیایی و سیستم ‌های تهویه مطبوع برای خنک‌ کاری سیالات استفاده می‌ شود. برج خنک کننده با استفاده از تبخیر آب، دمای آب را کاهش می ‌دهد. انتخاب نوع مناسب برج خنک کننده هم به عوامل مختلفی مانند شرایط محیطی، نیازهای فرآیند، هزینه ها و محدودیت های فضایی بستگی دارد.