برج‌های خنک کننده یا کولینگ تاور یکی از سیستمهای صنعتی است که امروزه جهت دفع گرما از یک دستگاه تهویه مطبوع یا یک فرآیند صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. به عبارتی دیگر می‌توان گفت که برج خنک کننده نوعی مبدل حرارتی بزرگ است که استفاده‌ها فراوانی می‌توان از آن کرد. امروزه در بسیاری از فرایندهای شیمیایی مانند صنایع پالایشگاهی و پتروشیمی، صنایع معدنی، صنایع هسته‌ای، صنایع غذایی، صنایع دارویی و … از برج‌های خنک کن استفاده می‌شود. اساس کار برج های خنک کننده تبخیر سطحی آب و برقراری تماس مستقیم بین جریان آب و هوا است که به روش‌های مختلفی صورت می‌گیرد. در این مقاله قصد داریم دربارۀ برج‌های خنک کننده صحبت کنیم، با انواع برج خنک کننده یا کولینگ تاور آشنا شویم و مزایا و معایب و نحوه عملکرد آن را بررسی کنیم.
تاریخچۀ طراحی و ساخت برج های خنک کننده یا کولینگ تاور
در ابتدای بحث لازم است با چگونگی طراحی برج های خنک کن آشنا شویم. اولین برج های خنک کن با شروع انقلاب صنعتی در اروپا ساخته شدند. استفاده‌ای که از برج‌های خنک کنندۀ برده می‌شد، خنک‌سازی موتورهای بخار اولیه بود. در کندانسور هایی که به این منظور طراحی و ساخته می‌شدند، از آب به خاطر ظرفیت گرمایی بالایی که داشت کمک گرفته می‌شد. به نحوی که جریان آب با بخار خروجی از موتور بخار تماس برقرار کرده، باعث تبدیل شدن بخار خروجی از توربین به مایع می‌شد. این کار اگرچه فشار بخار خروجی را قدری کاهش می‌داد، اما باعث صرفه‌جویی در مصرف انرژی موتور می‌شد و همچنین طرز کار آن را بهبود می‌بخشید.
با شروع قرن بیستم میلادی روش‌های نوین جهت ساخت برج‌های خنک کننده طراحی شد که باعث گسترده شدن استفاده از این سیستمهای خنک کننده گشت. به شکلی که در تأسیسات تهویه مطبوع خانگی نیز به صورت گسترده مورد استفاده قرار گرفت. این برج‌های خنک کننده به شکل یک دستگاه مجزا بر روی سقف ساختمان نصب شده، به کمک فن‌هایی قدرتمند جریان هوا را به صورت اجباری وارد برج کرده و باعث خنک شدن جریان آبی می‌شدند که به منظور سرمایش ساختمان مورد استفاده قرار می‌گرفت.
کولینگ تاور هایی که اوایل قرن بیستم میلادی ساخته می‌شد، ساختمان ساده‌ای داشت. طراحی این برج‌ها بر مبنای تماس مستقیم جریان هوا با جریان آبی بود که از بالای برج به داخل آن اسپری می‌شد. به این خاطر که در نمونه‌های اولیه جریان هوا به صورت آزاد وارد برج می‌شد، در نتیجه لازم بود ارتفاع برج‌ها بیشتر شده و با قطرهای بزرگتری طراحی شوند تا جوابگوی نیاز فرایندهای صنعتی باشند. دلیل نامگذاری این تأسیسات صنعتی نیز به واسطۀ همین شکل طراحی اولیۀ آنها است. بهره بردن از برج‌های بلند و کمک گرفتن از مکانیزم پاشش جریان آب از بالا اساس اصلی طراحی این برج های خنک کننده است.
با پیشرفت تکنولوژی و رونق گرفتن احداث کارخانه‌های صنعتی این برج‌های خنک کننده جهت طراحی فرایندهای صنعتی مورد استفاده قرار گرفت و خیلی زود روند پیشرفت را نیز طی کرد.
آشنایی با برج خنک کننده یا کولینگ تاور
اساس طراحی برج های خنک کن یا کولینگ تاور تبخیر شدن آب به منظور خنک‌سازی آن است؛ این کار به منظور جذب گرما از یک فرایند صنعتی یا یک دستگاه صنعتی صورت می‌گیرد. در حقیقت آبی که وارد برج خنک کننده می‌شود، پس از خنک شدن به صورت غیرمستقیم یا مستقیم عملیات خنک‌سازی یک دستگاه صنعتی دیگر را برعهده می‌گیرد یا اینکه از آن برای سرمایش یک مکان استفاده می‌شود. امروزه برج‌های خنک کننده اغلب به همان صورت برج‌های مرتفع ساخته می‌شوند. اما از تأسیسات دیگری نیز در این برج‌ها استفاده می‌شود که نتیجۀ آن افزایش سطح تماس قطرات آب با جریان هوا و در نتیجه بهبود عملکرد برج خنک کننده است. در ادامه به معرفی اجزای اصلی یک برج خنک کننده خواهیم پرداخت.
1) ساختمان اصلی برج
در ساخت بدنۀ اصلی برج‌های خنک کننده اغلب از مخلوط بتن و میلگردهای فولادی استفاده می‌شود. البته امروزه از مصالح دیگری مانند فایبر گلاس یا آلیاژهای فلزی نیز ممکن است در ساخت برج‌های خنک کننده استفاده شود. استفاده از فایبر گلاس به خاطر وزن پایین، مقاومت در برابر مسائلی مانند خوردگی و …، استحکام مناسب و مقاومت بالا در برابر تابش نور خورشید، شرایط آب و هوایی متغیر و … مورد استقبال طراحان کولینگ تاور قرار گرفته است. به صورتی که بسیاری از طراحان و سازندگان به سراغ برج‌های خنک کننده فایبر گلاس رفته‌اند.
2) سیستم آبرسانی
آب مهم‌ترین جزء در ساخت برج‌های خنک کننده است. به همین خاطر از طراحی‌های متفاوتی جهت آبرسانی در برج‌های خنک کننده یا کولینگ تاور استفاده می‌شود. به طور کلی اجزای سیستم آبرسانی برج شامل اتصالات، سیستم لوله‌کشی، پمپ‌های سیرکولاسیون، آب‌پخش‌کن‌ها، نازل‌های توزیع‌کننده جریان، رایزرها و … می‌شود. طراحی سیستم آبرسانی در برج‌های خنک کننده از اهمیت بالایی برخوردار است. در زمان طراحی لازم است مواردی مانند میزان انتقال حرارت، احتمالات و خطرات ناشی از یخ‌زدگی جریان آب، افت فشار و … را در نظر گرفت.
3) سیستم هوادهی یا همان فن برج خنک کننده یا کولینگ تاور
در برج‌های خنک کننده اغلب از فن‌های قدرتمندی به منظور هوادهی کمک گرفته می‌شود. البته به طور کلی سیستم هوادهی می‌تواند به دو شکل هوادهی اجباری و آزاد طراحی شود. که در شکل آزاد دیگر نیازی به استفاده از فن نیست و جریان هوا به صورت آزاد و بر اساس گرمایش از پایین برج به سمت بالا صعود می‌کند. اما در طراحی اجباری از فن‌ها با طراحی‌های متفاوتی کمک گرفته می‌شود. فن را می‌توان در پایین برج یا در بالای برج نصب کرد؛ که در روش اول وظیفۀ فن هوادهی است و در روش دوم فن وظیفۀ مکش جریان هوا را برعهده خواهد داشت. جزء دیگری که در سیستم هوادهی برج خنک کننده باید در نظر گرفت، شیوۀ انتقال نیرو به فن است. انرژی لازم جهت به گردش در آوردن فن را می‌توان به کمک یک الکتروموتور تأمین کرد. این الکتروموتور را می‌توان به شکل سیستم کوپل مستقیم یا به کمک تسمه و پولی به فن متصل کرد.
4) سطوح خنک‌کننده
با توجه به اینکه انتقال حرارت در برج های خنک کننده بر اساس تماس مستقیم جریان آب و جریان هوا صورت می‌گیرد، پس یکی از پارامترهای مهم در زمان طراحی افزایش میزان سطح تماس قطرات آب با جریان هوا خواهد بود. برای این کار از سطوح خنک کننده یا پکینگ استفاده می‌شود. با توجه به اینکه طول برج‌های خنک کننده محدود است، جهت افزایش سطح تماس از سطوح خنک کننده‌ای کمک گرفته می‌شود که به صورت متخلخل طراحی شده‌اند و نسبت مساحت تماس به حجم سطوح خنک‌کننده باید تا حتی‌امکان بالا باشد. برای بیان این نسبت از پارامتری به نام سطح ویژه استفاده می‌کنند که بر اساس سطح در واحد حجم تعریف می‌شود و واحد آن m2/m3 است.
جنس سطوح خنک‌کننده اغلب از جنس چوب، سفال، مواد پلیمری، بلوک‌های بتنی و … است. متداول‌ترین شکل طراحی این سطوح نیز به شکل لانه زنبوری یا تیغه‌ای است.
5) قطره‌گیر
طراحی صورت گرفته برای برج‌های خنک کننده به گونه‌ای است که بالاخره مقادیری از آبی که از بالا درون برج پاشش می‌شود، توسط جریان هوا به سمت بالا برده شده و از درون برج خارج می‌شود. مسئله‌ای که باعث افزایش رطوبت هوا شده و همچنین خیلی مطلوب طراحان نیست. به همین خاطر است که از صفحات قطره‌گیر جهت کاهش میزان رطوبت جریان هوا و گیر انداختن قطرات ریز آب کمک گرفته می‌شود. قطره‌گیرها به طور معمول از جنس آلیاژهای فلزی یا ورقه‌های پلیمری ساخته می‌شود. مهم‌ترین شکل طراحی این ورقه‌ها به صورت تیغه‌ای یا لانه زنبوری است که جریان هوا را کند کرده، باعث به دام افتادن قطرات ریز آب می‌شوند.
6) لوور برج خنک کننده یا کولینگ تاور
دبی هوای ورودی به برج خنک کننده عامل دیگری است که روی عملکرد آن تأثیر مستقیم دارد. به همین خاطر برای بهبود بخشیدن به آن از صفحاتی به نام لوور استفاده می‌شود. لوور یا کرکره ورودی هوا کنترل‌کنندۀ حجم هوای ورودی به داخل برج است. میزان هوای ورودی به برج تحت دو پارامتر تعیین می‌شود. پارامتر اول به شرایط آب و هوایی منطقه بستگی دارد و در حقیقت سرعت هوای ورودی به برج در شرایط آب و هوایی را مشخص می‌کند. این پارامتر به طور کلی عددی بین پنج تا ده متر بر ثانیه در نظر گرفته می‌شود. عامل دوم اما به طراحی برج برمی‌گردد و در حقیقت مساحتی است که از آن هوا وارد برج خنک کننده می‌شود. این عامل تحت کنترل لوورها یا کرکره‌های هوا بوده و می‌تواند دبی هوای ورودی به برج خنک کننده را تنظیم کند.
در طراحی و ساخت لوورها اغلب از ورقه‌های فایبر گلاس استفاده می‌شود. زیرا در برابر جریان هوا مقاومت بالایی دارند، دچار خوردگی نمی‌شوند و از طول عمر مناسبی نیز بهره می‌برند. شکل طراحی این کرکره‌ها نیز می‌تواند به صورت تیغه‌ای یا لانه زنبوری باشد. لوورها بستگی به شکل طراحی برج ممکن است در کف برج یا دیواره‌های آن نصب شوند.
آشنایی با انواع برج خنک کننده یا کولینگ تاور
امروزه در ساخت کولینگ تاور از روش‌ها و طراحی‌های متنوعی استفاده می‌شود؛ که هر طراحی از یک جنبه بر دیگری برتری دارد و در فرایند مشخصی مورد استفاده قرار می‌گیرد. نکته اینجاست که در طراحی هر کدام از بخش‌های برج خنک کننده می‌توان تغییراتی را ایجاد کرد که در نتیجه طرز کار برج های خنک کننده تحت تأثیر قرار می‌گیرد. در ادامه به معرفی دسته بندی‌های متداول در طراحی برج‌های خنک کننده خواهیم پرداخت.
انواع برج خنک کننده یا کولینگ تاور بر اساس شکل جریان هوا و آب
اساس طراحی برج‌های خنک کننده بر مبنای تماس جریان هوا و جریان آب است. این شکل جریان می‌تواند به دو صورت انجام شود.
تماس جریان هوا و آب به صورت خلاف جهت (Counter current)
در این شکل از طراحی جریان آب از بالای برج به داخل آن پمپ شده و جریان هوا از پایین برج به صورت خلاف جهت وارد برج می‌شود. این شکل از طراحی باعث افزایش میزان زمان تماس بین جریان هوا و آب می‌شود. در طراحی خلاف جهت، می‌توان از هوادهی جریان آزاد یا جریان اجباری کمک گرفت. در روش جریان آزاد هوا با دریافت گرمای موجود در آب به سمت بالا صعود کرده و از انتهای برج خارج می‌شود. در روش جریان اجباری نیز از دو نوع طراحی متفاوت می‌توان جهت هوادهی کمک گرفت. در روش اول فن در پایین برج نصب شده و کار هوادهی را انجام می‌دهد و در روش دوم فن در بالای برج نصب شده و جریان هوا را مکیده و به بیرون از برج پرتاب می‌نماید.
جریان کانتر کارنت بالاترین بازدهی را در برج‌های خنک کننده دارد و به همین خاطر در صنایع بزرگ شیمایی مانند پالایشگاه‌ها و پتروشیمی‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. اما به خاطر میزان سر و صدای تولیدی و دشواری تعمیرات و هزینه‌های نگهداری بالا استفاده از آن در دیگر تأسیسات مقرون به صرفه نیست.
تماس جریان هوا و آب به صورت جریان متقاطع (Cross flow)
در این روش جریان آب با همان صورت عمودی از بالای برج به داخل آن پمپ شده و به کمک سطوح پخش کننده در طول برج توزیع می‌شود. اما جریان هوا به صورت افقی و عمود بر مسیر جریان آب وارد برج می‌گردد. سپس این جریان هوا با طی کردن عرض برج به حالت متلاطم در آمده، وارد یک فضای تو خالی در وسط برج می‌شود. این هوا به کمک یک فن قدرتمند به بیرون از برج پرتاب می‌گردد. این شکل از طراحی بیشتر در صنایع فلزی و صنایع پتروشیمی کوچک مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در طراحی جریان متقاطع می‌توان از برج‌های خنک کننده با ارتفاع کمتری استفاده کرد؛ که در نتیجه نیاز به پمپ‌هایی با هد کمتری خواهیم داشت. این مسئله هزینه‌های اولیه طراحی برج خنک کننده را کاهش می‌دهد. ضمن اینکه در طراحی جریان متقاطع هزینه‌های نگهداری و تعمیر نیز کمتر خواهد بود. ولی معایبی نیز در این نوع از طراحی وجود دارد. از جمله سطح تماس کم بین جریان هوا و جریان آب، احتمال ورود ذرات آلوده کننده به فضای سطوح پرکننده، افزایش میزان خروج آب از برج خنک کننده.
انواع برج خنک کننده یا کولینگ تاور بر اساس نحوۀ مکش هوا
هوادهی در برج‌های خنک کننده به دو صورت جریان آزاد (مکش طبیعی) یا جریان اجباری (مکش مکانیکی) انجام می‌گیرد.
جریان آزاد (Natural draft)
ساده‌ترین نوع از انواع طراحی برای برج های خنک کننده یا کولینگ تاور استفاده از هوادهی به روش مکش طبیعی است. همان‌طور که می‌دانید هوای گرم دارای چگالی کمتری است و در نتیجه وقتی با لایه‌های هوایی متعددی مواجه باشیم، رو به بالا صعود می‌کند. از همین اصل سادۀ ترمودینامیکی جهت طراحی کولینگ تاور ها استفاده می‌شود. جریان هوا در این نوع از هوادهی وارد برج شده، با دریافت گرمای موجود در قطرات آب رو به بالا صعود می‌کند تا در نهایت از انتهای برج خارج شود.
این شکل از طراحی هزینه‌های کمتری جهت نگهداری دارد. اما در عوض به برج‌های خنک کننده با ارتفاع بیشتر و سطح مقطع بزرگتری نیاز خواهد بود؛ که هزینه‌های طراحی و راه‌اندازی را افزایش می‌دهد. این شکل از طراحی در نیروگاه‌های برق و برخی از فرایندهای صنعتی کاربرد دارد.
جریان اجباری یا مکانیکی (Mechanical draft)
در این روش از فن‌های دمنده یا مکنده به منظور سرعت بخشیدن به جریان هوا کمک گرفته می‌شود. این فن‌ها می‌تواند در پایین برج نصب شود که در این صورت به آن اصطلاحاً دمیدن اجباری می‌گویند و در واقع شکل طراحی آن به صورتی است که جریان هوا را به سمت بالا هل می‌دهد. روش دوم نیز استفاده از فن‌های مکنده در بالای برج است؛ که جریان هوا را به سمت بالا کشیده و سپس به بیرون برج پرتاب می‌کند.
هرکدام از این دو روش مزایا و معایب خاص خود را دارند. برای مثال نصب فن‌ها در کف برج هزینه‌های نگهدای و تعمیرات را کاهش می‌دهد. اما در عوض به فن قدرتمندتری نیاز خواهید داشت. همچنین در این شکل از طراحی احتمال برگشت هوای گرم شده به درون برج خنک کننده نیز وجود دارد. در صورتی که نصب برج در بالای برج این مشکل را نخواهد داشت.
انواع برج خنک کننده یا کولینگ تاور بر اساس شیوۀ انتقال حرارت
در گذشته طراحی برج‌های خنک کننده بر مبنای برقراری تماس مستقیم بین جریان هوا و جریان آب صورت می‌گرفت. اما امروزه از شیوه‌های متفاوتی جهت انتقال حرارت در برج‌های خنک کننده استفاده می‌شود. برج های خنک کن خشک و برج های خنک کن خیس مهم‌ترین نوع دسته‌بندی و انواع برج خنک کننده در این نوع از طراحی است.
کولینگ تاور خشک
اگر در طراحی فرایندهای صنعتی با مشکل کم آبی روبرو باشید، بهترین انتخاب استفاده از برج‌های خنک کنندۀ خشک است. در این روش می‌توان از سیال‌های فرایندی یا انواع مبردهای صنعتی به جای جریان آب کمک گرفت. در این شیوۀ طراحی از چندین کویل حرارتی در مسیر جریان هوای برج استفاده می‌شود. به شکلی که این کویل‌های حرارتی در فضای داخل برج نصب می‌شوند؛ که سیال فرایندی در داخل لوله‌های کویل جریان خواهد داشت. سپس جریان هوا در داخل برج برقرار شده و با سطح کویل تماس حاصل می‌کند. به این شکل این سیال خنک شده و به منظور خنک کاری تأسیسات صنعتی و نیمه صنعتی می‌توان از آن استفاده کرد. مزیت‌های این روش کاهش هزینه‌های جاری و راه‌اندازی برج است. اما عیب مهم آن کاهش ضریب عملکرد آن و تولید سر و صدای زیاد خواهد بود.
برج خنک کن خیس
کولینگ تاور های معمولی یا دسته‌ای از برج‌های خنک کننده که برج‌های مدار باز نیز خوانده می‌شوند، از این دسته هستند. در این شکل از طراحی جریان آب به صورت مستقیم با جریان هوا ارتباط برقرار کرده، بر اثر این تماس انتقال حرارت صورت می‌گیرد. این روش طراحی بازده بالاتری دارد. اما در عوض هزینه‌های راه اندازی این برج‌ها بیشتر خواهد بود.
کولینگ تاور مدار بسته
برج‌های خنک کنندۀ مدار بسته به صورتی طراحی می‌شوند که می‌توان گفت تلفیقی از دو برج خنک کنندۀ خشک و خیس هستند. در این برج‌ها کماکان از کویل‌های حرارتی و سیال فرایندی استفاده می‌شود. اما این کویل‌ها در تماس با جریان آب خنک می‌شوند. در حقیقت در این روش آب از بالای برج به داخل آن پمپ شده و در اثر تماس با جریان هوا خنک می‌گردد. سپس همین آب خنک شده در تماس با کویل‌های حرارتی باعث خنک شدن سیال فرایندی جاری در کویل خواهد شد. این شیوۀ طراحی باعث کاهش ابعاد مورد نیاز جهت طراحی برج‌های خنک کننده شده و عملکرد برج را نیز بهبود می‌بخشد. اما در عوض هزینه‌های طراحی، ساخت و نگهداری آن بالاتر از برج‌های مدار باز خواهد بود. به همین خاطر انتخاب آنها به جز در موارد خاص مقرون به صرفه نیست و کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند.
جمع‌بندی
برج های خنک کننده یا همان کولینگ تاور ها به نوعی یک مبدل حرارتی بزرگ به حساب می‌آیند؛ که امروزه از آنها جهت دفع حرارت از دستگاه‌ها یا فرایندهای صنعتی استفاده می‌شود. اساس کار برج‌های خنک کننده تبخیر قطرات ریز آب در تماس با جریان هوا است که در نتیجه منجربه کاهش دمای آب می‌شود. از این آب خنک شده به منظور خنک‌سازی دستگاه‌ها یا فرایندهای صنعتی می‌توان سود برد. طراحی کولینگ تاورها به اشکال متفاوتی طراحی می‌شوند؛ اما در نهایت در تمامی این طراحی‌ها هدف افزایش تماس بین قطرات ریز آب با جریان هوا است. مهم‌ترین اجزای یک برج خنک کننده عبارتند از بدنۀ اصلی، سیستم هوادهی، سیستم آبرسانی، سطوح خنک‌کننده، قطره‌گیرها و … که طراحی هر یک از این اجزا نیز ممکن است متفاوت باشد.
