برج های خنک کننده

اطلاعات برج های خنک کننده

نمایش تمام سازندگان برج خنک کننده

برج های خنک کننده دستگاه های حذف حرارت برای فرآیندهای صنعتی هستند. آنها به عنوان هر وسیله چرخش آب باز تعریف می شوند که از فن یا بادکش طبیعی برای کشیدن یا وادار کردن هوا به تماس و خنک کردن آب توسط تبخیر استفاده می کند. برج های خنک کننده آلودگی حرارتی سینک های حرارتی آب طبیعی را به حداقل می رساند و امکان استفاده مجدد از آب در گردش را فراهم می کند. وقتی کسی به برج های خنک کننده فکر می کند، احتمالاً برج های بزرگ مرتبط با نیروگاه های هسته ای به ذهن خطور می کند. این برج‌های خنک‌کننده از نظر اندازه یک مورد شدید هستند، اما همه به یک شکل عمل می‌کنند. این و دیگر برج های کوچکتر به طور گسترده در کاربردهای صنعتی استفاده می شوند.

استفاده از تبخیر مزیت اصلی برج های خنک کننده به عنوان یک نوع تجهیزات حذف حرارت است. آنها برای ارائه دمای آب به میزان قابل توجهی پایین تر از دمای قابل دستیابی با فرآیندهای حذف حرارت با هوا خنک یا خشک استفاده می شوند.

اجزاء و عملیات

تمام برج های خنک کننده از چند جزء اساسی تشکیل شده اند که شامل موارد زیر می شود.

ساختار برج ( قاب) اجزای خنک کننده (به عنوان مثال فن ها ، لوله ها ) را در بر می گیرد و از دستگاه های بیرونی (پمپ ها، موتورها) پشتیبانی می کند.

پرکننده (ساخته شده از پلاستیک یا چوب) مساحت سطح را افزایش می دهد و فرود آب را کاهش می دهد تا تبخیر و انتقال حرارت بین هوا و آب را تشویق کند . بسته بندی بهینه دارای سطح بالایی است اما افت فشار در نتیجه کم است.

حوض آب سرد یا حوضچه آب سرد در نزدیکی پایین برج قرار دارد و آب سامپ را دریافت کرده و از طریق پمپ ها در سیستم به گردش در می آورد.

حذف کننده های رانش قطرات آب محبوس شده در جریان هوا را برای به حداقل رساندن تلفات آب جذب می کنند.

فن ها (محوری یا گریز از مرکز) برای حرکت هوا در سیستم استفاده می شوند. سیستم‌های القایی از فن‌های محوری که در نزدیکی بالای برج قرار گرفته‌اند، استفاده می‌کنند، در حالی که سیستم‌های اجباری از هر دو نوع قرار گرفته در نزدیکی پایین استفاده می‌کنند.

 نمودار شماتیک سیستم برج خنک کننده

راه اندازی یک برج خنک کننده مستلزم درک دو سیستم فرعی جداگانه اما مرتبط با یکدیگر است: انتقال حرارت و گردش آب.

گردش آب

برج ها ممکن است از آب رودخانه، آب ساحلی (آب دریا) یا آب چاه به عنوان منبع آب خنک کننده شیرین خود استفاده کنند. در حین کار، آب گرم از خارج از سیستم به داخل برج پمپ می شود، جایی که در لوله ها حمل می شود یا توسط سمپاش ها یا گرانش پراکنده می شود. آب تماس برقرار می کند و با هوای که از طریق فن ها یا نیروهای همرفتی رانده یا کشیده می شود خنک می شود. قبل از بازیافت، آب جدید بر اساس مقادیر از دست رفته در طول فرآیند خنک‌سازی به آب اضافه می‌شود.

آب را می توان به یکی از چهار راه در یک برج خنک کننده از دست داد.

تبخیر (E) عملکرد خنک کننده اولیه برج است که در آن آب از مایع به گاز تبدیل می شود و از برج به عنوان بخار خارج می شود. این روشی است که گرما را از سیال خنک کننده به محیط منتقل می کند. مقدار تبخیر موضوعی برای تلاش برای بهره وری آب نیست.

رانش (D) مقدار کمی آب است که از برج به صورت غبار یا قطرات کوچک حمل می شود. با بافل ها و حذف کننده های رانش کنترل می شود و می توان آن را در اکثر سیستم ها به عنوان 0.02٪ از کل جریان سیستم تقریب زد. 

(ب) آبی است که برای کاهش محتوای جامدات محلول در آب خنک کننده حذف می شود. هنگامی که آب از برج تبخیر می شود، مواد جامد محلول (مانند کلسیم، منیزیم، کلرید و سیلیس) باقی می مانند. با تبخیر آب بیشتر، غلظت مواد جامد محلول افزایش می یابد و پتانسیل خوردگی افزایش می یابد. این غلظت جامدات محلول با دمیدن کنترل می شود. نظارت دقیق و کنترل مقدار دمش مهم ترین فرصت را برای صرفه جویی در آب در عملیات برج خنک کننده فراهم می کند.

نشتی یا سرریز حوضه (L) نتیجه عملکرد نامناسب برج ها است. برای جلوگیری از مشکلات، تجهیزات کنترل شناور را بررسی کنید تا از حفظ سطح حوضه اطمینان حاصل کنید و شیرهای سیستم را بررسی کنید تا مطمئن شوید که هیچ تلفات غیرقابل محاسبه ای وجود ندارد.

نشت، انفجار، و رانش با هم مجموع مقدار هدر رفت آب (W) را تشکیل می دهند .

W = L + B + D

مقدار آب آرایشی (M) که باید در یک برج خنک کننده اضافه شود با تعادل جرم آب ساده از آب فاضلاب و آب تبخیر شده تعیین می شود.

M = E + (B + D + L) = E + W

مواد جامد محلول از طریق آب آرایشی وارد سیستم شده و از طریق فاضلاب خارج می شوند. " چرخه های غلظت " (X) پارامتری بر اساس غلظت جامد محلول است که برای اندازه گیری کارایی آب استفاده می شود. برای محاسبه این نسبت، رسانایی (غلظت یونها) در آب کاروان (C W ) را به رسانایی آب تشکیل دهنده (C M ) تقسیم کنید .

X = C W / C M

بهینه سازی بهره وری آب مستلزم به حداکثر رساندن این نسبت است، که حذف آب دمنده را به حداقل می رساند و تقاضای آب را کاهش می دهد. با این حال، این کار را فقط می توان در چارچوب محدودیت های آب آرایشی و شیمیایی آب برج خنک کننده انجام داد. جامدات محلول با افزایش چرخه غلظت افزایش می یابند که می تواند باعث ایجاد مشکلاتی در رسوب و خوردگی شود مگر اینکه به دقت کنترل شود.

انتقال حرارت

انتقال حرارت در برج های خنک کننده صنعتی تابعی از میزان تماس هوا و آب در گردش است. 

راندمان انتقال حرارت (μ) در یک برج خنک کننده را می توان بر اساس دمای ورودی (T I ) و دمای خروجی ( TO ) آب و دمای لامپ مرطوب (Twb ) هوا تعریف کرد. برای محاسبه این بازده می توان از معادله زیر استفاده کرد:

μ = [(T I - T O ) / (T I - T wb )] x 100

این راندمان عملیاتی را می توان با سه نوع تخریب کاهش داد:

1. پوسته پوسته شدن - ایجاد یک لایه سخت از آهک یا سایر مواد معدنی "فلز" از مواد شیمیایی محلول در بیشتر منابع آب.

2. خوردگی - خوردگی سطح و اجزاء، به ویژه خوردگی آب روی سطوح فلزی یا تجمع لجن در مخزن.

3. رسوب آلی - رشد جلبک ها یا سایر مواد آلی در سیستم.

انواع برج خنک کننده

طراحی برج مبنایی برای انتخاب یک برج خنک کننده مناسب برای یک کاربرد خاص است. طراحی می تواند بر اساس پیش نویس، جریان و نوع حلقه متفاوت باشد.

نوع پیش نویس

برج های خنک کننده را می توان با نحوه حرکت هوا مشخص کرد.

برج های کششی مکانیکی از فن های مکانیکی برای حرکت هوا در سیستم استفاده می کنند. این برج ها یک مکانیسم پیش نویس اجباری یا القایی را اجرا می کنند.

برج‌های بادکش مکانیکی اجباری از فن‌هایی در ورودی هوا در پایین برج استفاده می‌کنند تا هوای خنک‌کننده را از طریق پشته به سمت بالا هدایت کنند. این به فن ها اجازه می دهد تا به طور موثر در سیستم های فشار استاتیک بالا کار کنند. این همچنین دسترسی آسان برای تعمیر و نگهداری معمول و خدمات را تسهیل می کند. علاوه بر این، قرار گرفتن این اجزا در جریان هوای ورودی خشک، با جداسازی آنها از هوای تخلیه اشباع، عمر اجزا را افزایش می دهد.

برج های کشش مکانیکی القایی از فن هایی استفاده می کنند که در واحد عرشه بالای برج نصب شده اند و هوای خنک کننده از طریق پشته به سمت بالا کشیده می شود. این باعث کاهش سرعت هوای ورودی و خروجی زیاد می شود و احتمال چرخش مجدد را کاهش می دهد که در آن هوای تخلیه شده به داخل ورودی هوا برمی گردد. همچنین تأثیر صدای فن بر روی همسایگان مجاور را به حداقل می رساند و با واحدهایی که در شرایط زیر یخبندان کار می کنند، حداکثر محافظت را در برابر یخ زدگی فن فراهم می کند. این سیستم ها به استفاده از مواد فن مقاوم در برابر خوردگی برای اطمینان از عمر طولانی و به حداقل رساندن نیازهای تعمیر و نگهداری نیاز دارند.

برج‌های خنک‌کننده طبیعی از جریان هوای همرفتی طبیعی استفاده می‌کنند که به سمت بالا پشته حرکت می‌کند تا آب خنک شود. این سیستم ها بسیار بزرگ هستند (+400 فوت ارتفاع) و می توانند از جریان 500000 gpm (گالن در دقیقه) فراتر بروند. با توجه به اندازه آنها، بیشتر توسط شرکت های برق استفاده می شود. طرح های هایپربولوئید به دلیل استحکام ساختاری بالا، نیاز به مواد کمتر و راندمان خنک کننده بهبود یافته در بین برج های کششی طبیعی استاندارد هستند.

برج خنک کننده طبیعی هیپربولوئید.

نوع جریان

برج های خنک کننده را می توان از طریق نحوه جریان هوا و آب نسبت به یکدیگر نیز تشخیص داد.

انواع جریان برج پیش نویس مکانیکی القایی طراحی جریان ضد (سمت چپ) و طراحی جریان متقاطع (راست)

طراحی جریان متقاطع هوا و آب را با زاویه 90 درجه مخلوط می کند. هنگامی که هوا به صورت افقی در سراسر آن جریان می یابد، آب به صورت عمودی به پایین پر می شود. سیستم های جریان متقاطع تمایل دارند انرژی و هزینه های عملیاتی کمتری نسبت به سیستم های جریان مخالف داشته باشند. مزایای خاص عبارتند از:

1. هد پمپاژ پایین به دلیل ارتفاع کمتر برج.

2. مصرف انرژی سالانه و هزینه های عملیاتی کمتر.

3. تغییرات بیشتر در جریان آب را بدون اثرات نامطلوب بر الگوی توزیع آب می پذیرد (عملکرد مبدل حرارتی صفحه تخت در زمستان).

4. دسترسی آسان به نازل های توزیع.

5. کاهش دریفت و گردش مجدد و افت فشار استاتیک کم به دلیل توزیع افقی هوا.

6. می توان از فن های با قطر بزرگتر استفاده کرد تا سلول های کمتری برای ظرفیت معین مورد نیاز باشد.

   

 خنک کننده با جریان متقاطع.

طراحی ضد جریان هوا و آب را به روش جریان عمودی که در آن آب در حال سقوط و هوا در حال افزایش است، مخلوط می کند. هنگامی که هوا به صورت عمودی به سمت بالا جریان می یابد، آب پس از خارج شدن از یک اسپری تحت فشار، به صورت عمودی به پایین پر می شود. سیستم‌های جریان مخالف به دلیل استفاده کارآمدتر از هوا و آب، نسبت به سیستم‌های جریان متقاطع ردپای کمتری دارند. مزایای خاص عبارتند از:

• به دلیل افزایش ارتفاع برج، بردهای طولانی تر و نزدیک ترها.

• استفاده کارآمدتر از هوا به دلیل اندازه قطرات ریزتر ناشی از اسپری های فشار.

• سردترین آب در تماس با خشک ترین هوا است که به دلیل حرکت عمودی هوا در سراسر پر شده، عملکرد برج را به حداکثر می رساند.

  

خنک کننده ضد جریان

نوع حلقه

علاوه بر طراحی جریان و پیش نویس، برج های خنک کننده نیز می توانند حلقه بسته یا باز باشند.

سیستم های حلقه باز ساختارهای محصور شده ای هستند که آب گرم را بر روی یک "پر" با مواد بسته بندی توزیع می کنند. پرکننده یک رابط بسیار گسترده هوا و آب برای گرم کردن هوا و تبخیر فراهم می کند. آب با تماس مستقیم با هوایی که از روی آن عبور می کند خنک می شود. آب سرد شده در یک حوض آب سرد در زیر پر کننده جمع آوری می شود که از آن از طریق سیستم پمپ می شود. هوای گرم شده و حاوی رطوبت که از پر شده خارج می شود در نقطه ای به اندازه کافی دور از ورودی های هوا به اتمسفر تخلیه می شود تا از برگشت آن به داخل برج جلوگیری شود.

سیستم های حلقه بسته مشابه سیستم های تبرید کار می کنند. سیال خنک کننده (معمولاً آب یا مخلوط گلیکول) در داخل یک سیستم لوله کشی بسته قرار دارد و خنک کننده تبخیری با جاری شدن آب روی لوله حاوی آب گرم شده رخ می دهد. هوا از میان آب در حال گردش آبشار بیرونی لوله های داغ کشیده می شود و خنک کننده تبخیری شبیه به یک برج خنک کننده باز را فراهم می کند. بنابراین عملکرد برج های خنک کننده غیرمستقیم بسیار شبیه به برج خنک کننده باز است با یک استثنا: سیال فرآیندی که خنک می شود در یک مدار "بسته" قرار می گیرد و مستقیماً در معرض اتمسفر یا آب خارجی چرخش مجدد قرار نمی گیرد.

مشخصات فنی

مشخصات عملیاتی پارامترهایی هستند که برای طراحی و توصیف برج های خنک کننده استفاده می شوند. مهمترین آنها ظرفیت خنک کنندگی است که تمام مشخصات دیگر توسط آن مشخص می شود. 

ظرفیت خنک کننده انرژی گرمایی است که از سیال خنک کننده در یک زمان معین دفع می شود. در تن برج خنک کننده 15000 Btu/h یا 125% تن تبرید (12000 Btu/h) اندازه گیری می شود. ظرفیت خنک کننده مورد نیاز، جدا از انواع طراحی ذکر شده در بالا، بر هد پمپ، توان موتور، سرعت جریان و نیازهای اندازه برای یک برج خنک کننده تأثیر می گذارد.

نرخ جریان ، حجم آب خنک‌کننده‌ای است که در یک زمان معین در برج جابجا می‌شود، که بر حسب گالن در دقیقه (gpm) یا متر مکعب در ساعت (m3/h) اندازه‌گیری می‌شود . این پارامتر به ظرفیت خنک کننده، اندازه و قدرت پمپاژ موجود سیستم برج خنک کننده بستگی دارد. 

فشار سر پمپ مشخص می کند که برای غلبه بر مقاومت جریان در سیستم خنک کننده، چه مقدار توان پمپاژ مورد نیاز است. سیستم های بزرگتر با مقاومت بیشتر (مقابل جریان) دارای درجه بندی فشار بالای سر خواهند بود. 

قدرت موتور ، امتیاز مورد نیاز موتوری است که برای راه اندازی فن در برج خنک کننده استفاده می شود. ایالات متحده معمولاً این پارامتر را بر حسب اسب بخار (hp) ارزیابی می کند در حالی که سایر کشورها ممکن است از وات (W) استفاده کنند. 

اندازه شامل ارتفاع یک برج خنک کننده به همراه ظرفیت مخزن و وزن عملیاتی آن است که همگی بر اساس ظرفیت خنک کننده مورد نیاز برج و سرعت جریان متفاوت است.

مواد

بسته به طرح و کاربرد، تعدادی مواد وجود دارد که می توان برای ساخت هر یک از اجزای یک برج خنک کننده استفاده کرد. 

فلزات مورد استفاده در برج ها عبارتند از مس برای انتقال حرارت و لوله کشی، آلومینیوم برای تیغه های فن و فولاد گالوانیزه یا فولاد کربنی پوشش داده شده برای اجزای ساختاری. برخی از اجزای محلول در آب تمایل به خوردگی فلزات دارند و مقاومت در برابر خوردگی اضافی نیازمند استفاده از فولاد ضد زنگ یا مواد غیرفلزی برای افزایش طول عمر قطعه است.

پلی استر تقویت شده با فایبرگلاس (FRP) یک ماده سخت و سبک وزن است که در برابر خوردگی مقاوم است و می تواند بارهای سنگین را تحمل کند. می توان از آن برای ساخت قسمت های اصلی بدنه برج و اجزای سیستم کوچکتر استفاده کرد. این ماده در سیستم هایی استفاده می شود که در آن مواد شیمیایی موجود در آب خنک کننده به فلزات بسیار خورنده هستند. 

پلیمرهایی مانند پلی وینیل کلراید (PVC)، پلی اتیلن و پلی پروپیلن به عنوان اجزای غیرساختاری در برج هایی که پتانسیل خوردگی آب مانع استفاده از فلزات می شود، مورد توجه قرار می گیرند. 

چوب یک مصالح ساختمانی رایج است که در ساخت برج های خنک کننده گسترده استفاده می شود. مقرون به صرفه ترین آن در طرح هایی است که به مواد زیادی نیاز دارند، جایی که کار میدانی برای ساخت و ساز کمتر می شود. چوب از شسته شدن (از بین رفتن مواد شیمیایی نگهدارنده چوب توسط آب جاری) رنج می برد که می تواند منجر به تخریب مواد در طول زمان شود.

بتن به عنوان ماده اولیه در برج های خنک کننده جریان طبیعی استفاده می شود، اگرچه به عنوان جزئی از برخی از سیستم های کوچکتر نیز استفاده می شود.

منبع

globalspec.com