برج های خنک کننده مدار باز یا مدار بسته؟

برج های خنک کننده مدار باز یا مدار بسته؟

برج های خنک کننده (Cooling Tower) نوعی از مبدل های حرارتی هستند که از تماس آب و هوا برای خنک کاری آب مورد نیاز در کندانسور سیستم های تهویه مطبوع ، نیروگاه ها، پالایشگاه ها، فرآیندهای صنعتی و صنایع مختلف (صنایع غذایی و …) استفاده می نمایند.

برج های خنک کننده از نظر عملکرد خنک کنندگی به دو دسته تقسیم می شوند:

برج های خنک کننده مدار باز (Open Circuit Cooling Tower)
برج های خنک کننده مدار بسته (Closed Circuit Cooling Tower)

برج های خنک کننده مدار باز و مدار بسته در صورتی که به درستی برای کاربرد مورد نظر طراحی شوند، می توانند راندمان حرارتی قابل قبول، قابلیت اطمینان و طول عمر بالایی را ارائه دهند. تشخیص اینکه کدام برج خنک کننده مدار باز یا مدار بسته برای کاربرد مشخص مناسب تر است وظیفه ای است که نیازمند شناخت نحوه عملکرد و ویژگی ها و کاربرد های هر کدام از آن ها است و بر عهده مهندسان مربوطه و کسانی که آشنایی اولیه ای با نیازهای کاربرد مورد نظر دارند، می باشد.

۱٫ برج های خنک کننده مدار باز

عملکرد برج های خنک کننده مدار باز چگونه است؟

برج خنک کننده مدار باز (Open Circuit Cooling Tower) 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 خنک کاری) به بخش بالایی برج خنک کننده پمپ می شود و از آنجا وارد برج می گردد. نازل ها 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؛ این امر موجب ایجاد سطح تماس (تبادل حرارتی) بسیار بزرگی 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 می دهد. 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 پروژه باز میگردد. هوا نیز که با رطوبت اشباع شده است، از بخش بالایی برج خنک کننده خارج می گردد. قطرهگیر نصب شده در بالای نازل ها نیز از خروج قطرات آب از برج خنک کننده جلوگیری می کند.

ویژگی ها و محدودیت های برج های خنک کننده مدار باز:

متداول ترین نوع برج خنک کننده ای که امروزه برای دفع حرارت در مقیاس بزرگ مورد استفاده قرار میگیرد برج خنک کننده مدار باز است و برج های خنک کننده مدار باز به دلیل محدوده وسیع ظرفیت و ساختارهای موجود، هزینه سرمایه گذاری پایین و راندمان حرارتی بالای خود شناخته شده اند.در صورتی که برج خنک کننده به چیلر آبی متصل شود و گرفتگی ها و رسوب های ایجاد شده درون لوله ها مشکل خاصی ایجاد نکند، برج های خنک کننده باز عموماً هزینه سرمایه گذاری پایین تری برای خریدار به همراه دارند. همچنین حداقل در ابتدا هزینه های بهره برداری برج های خنک کننده مدار باز از برج های خنک کننده مدار بسته کمتر است. گرچه هزینه تمام شده نهایی با رسوب گرفتن مبدل های حرارتی، لوله های کندانسور و لوله های ارتباطی می تواند به طور چشمگیری افزایش یابد. بنابراین در حالی که برج های خنک کننده مدار باز هزینه سرمایه گذاری کمتری در مقایسه با برج های خنک کننده مدار بسته دارند، مهندسان باید هزینه های بهره برداری مربوط به فیلتراسیون آب و هزینه های 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 می نمایند، چرا که به دلیل تماس بدون واسطه آب و هوا بخش زیادی از سرمایش ایجاد شده در برج خنک کننده مدار باز در نتیجه سرمایش تبخیری رخ می دهد. در مجموع می توان گفت بر اساس شرایط طراحی در ناحیه جغرافیایی، برج های خنک کننده 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.در برج خنک کننده مدار باز آبی که لازم است خنک شود پس از ورود به برج خنک کننده در تماس مستقیم با هوا قرار می گیرد و این آب در معرض هوای بیرون و تمام آلودگی های موجود در اتمسفر قرار دارد. بنابراین به دلیل آلودگی های موجود در هوا، آلودگی های ورودی به برج از طریق آب جبرانی وارد شده و حضور اکسیژن جذب شده، نگهداری صحیح و کامل تمام تجهیزات برج خنک کننده مدار باز ضروری است. این موضوع همچنین اهمیت فیلتراسیون و تصفیه آب در گردش سیستم را تشدید می کند. چرا که اگر آب درون تشتک برج خنک کننده مدار باز کاملاً تصفیه و نگهداری نشود، راندمان انرژی برج خنک کننده در طول زمان به دلیل لوله های رسوب گرفته کاهش می یابد.

۲٫ برج های خنک کننده مدار بسته

عملکرد برج های 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 می کند. در برج خنک کننده مدار بسته برای جلوگیری از تماس مستقیم هوا با آب و مشکلات مربوط به آن، آب نیازمند خنک کاری درون کویل های موجود در برج خنک کننده که از جنس مس، فولاد بدون زنگ و … هستند، 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 می شود. در برج خنک کننده مدار بسته بخشی از خنک کاری مورد نظر در اثر تماس غیرمستقیم و تبادل حرارتی بین هوای ورودی به برج و آب موجود در کویل ها صورت میگیرد. همچنین در اثر پاشش آب بر روی پکینگ 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 می گردد. ادامه فرآیند خنک کاری نیز مشابه مراحل صورت گرفته در برج خنک کننده مدار باز انجام می شود.

ویژگی ها و محدودیت های برج های خنک کننده مدار بسته:

در برج خنک کننده مدار بسته به دلیل تماس غیرمستقیم آب درون کویل با هوا و عدم نیاز به تأمین آب جبرانی هیچگونه آلودگی، ناخالصی و املاحی به آب خنک کاری اضافه نمی شود و این آب (یا هر سیال فرآیندی دیگر) در یک سیکل بسته کاملاً تمیز و فاقد هرگونه آلودگی جریان می یابد، در نتیجه در صورت به کارگیری برج های خنک کننده مدار بسته، رسوب بر روی سطوح داخلی کویل های حرارتی درون برج و سایر تجهیزات مرتبط با برج خنک کننده مانند کندانسورها و مبدل های حرارتی ایجاد نمی گردد. بنابراین از آن جایی که استفاده از برج خنک کننده مدار باز می تواند ریسک قابل توجهی از نظر رسوبگیری تجهیزات موجود در تأسیسات سرمایشی داشته باشد، در مناطقی که سختی آب بسیار بالا است برج خنک کننده مدار بسته بهترین گزینه می باشد. همچنین به دلیل کاهش قابل توجه میزان رسوب و گرفتگی در این برج ها، استفاده از تکنولوژی مدار بسته در برج های خنک کننده میتواند به کاهش یا حذف نیاز به تصفیه فیزیکی/ شیمیایی آب های موجود در سیستم برج خنک کننده کمک نماید.استفاده از کویل ها در برج خنک کننده مدار بسته باعث می شود آب نیازمند خنک کاری از آب موجود در برج خنک کننده جدا شود و به این صورت از تماس بین آب خروجی از برج خنک کننده و هوا نیز جلوگیری به عمل می آید. 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 برج خنک کننده مدار بسته به دلیل عدم تبخیر آب خنک کاری شده درون کویل ها نیازی به افزودن آب جبرانی نیست و اتلافات آب مربوط به فرآیند تبخیر در برج خنک کننده 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 برج های خنک کننده مدار باز بسیار کمتر است. به همین دلیل استفاده از برج های خنک کننده مدار بسته در مناطق خشک و کم آب با وجود هزینه سرمایه گذاری بالاتر آن ها در مقایسه با برج خنک کننده مدار باز، گزینه مناسب تری است. 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.