برج خنک کننده مدار بسته چیست؟

برج خنک کننده مدار بسته از محبوب ‌ترین و متداول‌ ترین مبدل‌های حرارتی است که به آن close cooling tower می گویند.

این نوع از برج خنک کننده فرآیند خنک کاری آبی که در درون کویل‌های سرمایشی آن وجود دارد را در یک مدار بسته انجام می‌دهد و به جهت استفاده از کویل سرمایشی در خنک کاری آب به آن برج خنک کننده کویل دار نیز اطلاق می شود.

کاربرد برج خنک کننده بسیار زیاد است ما در این مقاله قصد داریم که بر روی کاربرد برج خنک کننده مدار بسته تمرکز کنیم. در بیشتر مواقع به جهت خنک کاری بخش صنعتی از برج خنک کننده مدار بسته استفاده می‌شود. از مصارف استفاده از این دستگاه می‌توان به فرآیند خنک کاری تجهیزات نیروگاه‌ها، ذوب فلزات، پتروشیمی، کوره القایی و پالایشگاه ها اشاره کرد.

انواع برح خنک کننده مدار بسته

برج خنک کننده مدار بسته بر اساس نوع کویلی که در ساختار آن به کار رفته و همچنین سیستم چرخش هوا از تنوع برخوردار است و دارای دو مدل اصلی خشک و هیبریدی است.

برج خنک کننده خشک

این نوع از برج خنک کننده مکانیزم غیر تبخیری دارد و به علت عدم ارتباط با آب به عنوان کولینگ تاور مدار بسته شناخته می شود. برج خنک کننده مدار بسته خشک در واقع اولین نسل از برج‌ های خنک کننده سیکل بسته است که به صورت کاملاً هوا خنک فعالیت می‌کنند. یکی از معایب های این دستگاه، کاهش میزان مبادله انرژی گرمایی و یا برودتی در روزهای گرم سال است.

برج خنک کننده مدار بسته نوع خشک از دو بخش مهم و اصلی تشکیل شده است، اولین بخش آن هوا رسان یا سیستم هوادهی است که وظیفه ی اساسی آن تولید جریان هوا است و بخش دوم سیستم بستری است که سطح موثر مبادله حرارتی در کویل برودتی را مهیا می کند چرا که نیاز است تا با هوای خنک تماسی غیر مستقیم داشته باشد.

در ساخت لوله های این نوع از برج خنک کننده از متریال هایی چون گالوانیزه، استیل و مس استفاده می شود و علاوه بر آن، کویل های سرمایشی برج خنک کننده از نوع فین دار است. زمانی که از این کویل های سرمایشی بر روی لوله های سیستم استفاده می شود، سطح مبادله حرارتی میان آب و هوا بالا می رود. علاوه بر آن فین هایی که در برج خنک کننده مدار بسته استفاده می شود از آلومینیوم ساخته می شوند.

کولینگ تاور هیبریدی یا ترکیبی

یکی از انواع برج‌ های خنک کننده، برج خنک کننده مدار بسته هیبریدی یا ترکیبی است. طراحی این مدل از برج خنک کننده به گونه‌ای صورت گرفته که در آن چرخه پاششی مدار باز نیز وجود دارد یا به عبارتی ترکیبی از برج خنک کننده خشک و برج خنک کننده مرطوب باز است. به سبب نوع طراحی صورت گرفته در آن بازدهی دستگاه در فصول گرم سال کاهش نیافته و ثابت می‌ماند.

همچنین کویل های مسی به کار رفته در ساختار برج خنک کننده مدار بسته هیبریدی از ابعاد ۱/۲، ۳/۴، ۵/۸، ۱/۸ اینچ برخوردارند و اغلب جنس آن ها از گالوانیزه، استنلس استیل و مس است.

شیوه فعالیت برج خنک کننده مدار بسته در روزهای گرم سال متفاوت از روزهای سرد و خنک سال است. در فصل سرد خنک کاری آب درون کویل ها تنها بر عهده سیستم است و روزهای گرم سال سیکل شاور یا همان سیکل پاشش آب باعث خنک کاری درون کویل ها خواهد شد.

اجرای تشکیل دهنده برج خنک کننده مدار بسته هیبریدی

در ساخت این مدل از برج خنک کننده از اجزا و قطعات مختلفی استفاده شده است که عبارتند از:

• الکترو موتور یا دینام

این بخش فراهم کننده گشتاور چرخشی پروانه است.

• بدنه یا فریم اصلی

فریم اصلی برج خنک کننده مدار بسته هیبریدی از بخش‌های مختلفی چون ستونی‌ ها،  لوور، فن استک، تشتک و فین ها تشکیل شده است.

• کویل سرمایشی یا برودتی

این بخش از سیستم عهده‌ دار گردش آب مدار اصلی در سیکل بسته است.

• لوله و انشعابات توزیع آب

وظیفه توزیع و رساندن آب از پمپ شاور به نازل ‌ها به عهده لوله و انشعابات توزیع آب است.

• فن یا پروانه هوادهی

فن یا پروانه هوا دهی بر روی کویل و پکینگ برج خنک کننده یا پوشاهای داخلی جریان هوا تولید می کند.

• نازل یا افشانک پاششی

دوش کردن یا پاشش آب مدار باز و تقسیم و توزیع آن بر روی کویل ها بر عهده نازل یا افشانک پاششی ست.

• سیستم انتقال قدرت یا کاهش دور

کار انتقال گشتاور و انرژی مکانیکی موتور به بخش فن یا پروانه بر عهده سیستم انتقال قدرت یا کاهش دور موتور است.

• پمپ سیر کوله مدار باز

مکش آب از تشتک یا بیسین و کار انتقال آن به نازل ها وظیفه پمپ سیر کوله مدار باز است.

• پکینگ مدیا یا سطح خنک کننده

این بخش موجب ایجاد سطح تبادل انرژی در سیکل مدار باز می شود.

• چکه گیر یا المیناتور

از طریق دریفت المیناتور می توان مانع از هدر رفت قطره های ریز آب به بیرون از برج خنک کننده شد.

• توری هوا

در قسمت پشتی لوور یا کرکره هوا توری هوا قرار دارد، این بخش مانع از ورود آلودگی ها به درون برج خنک کننده می شود.

• تابلو کنترل یا تابلو برق

در این بخش از برج خنک کننده سر بندی الکتروموتور فن و پمپ صورت می گیرد، تابلو برق یا تابلو کنترل موجب محافظت از تجهیزات الکتریکال می شود.

• توری آشغال گیر

توری آشغال گیر مانع از ورود ذرات بزرگ یا پکینگ های کنده شده به درون پمپ شاور می شود.

• ساپورت های نگهدارنده داخلی

تقسیم وزن کویل بر روی شاسی تشتک و کار نگهداری از قطره گیرها تماما بر عهده ساپورت های نگهدارنده داخلی ست.

• سنسور ترموستات پمپ شاور

در فصول مختلف سال کار قطع و وصل پمپ سیر کوله مدار باز بر عهده سنسور ترموستات پمپ شاور است.

شیوه فعالیت برج خنک کننده مدار بسته

فعالیت برج خنک کننده مدار بسته مبتنی بر چرخش آب در یک کویل برودتی و تماس غیر مستقیم  آب با هوا صورت می‌گیرد و از این طریق فرآیند خنک کاری بر روی سیال ( آب) انجام می شود. غالباً از کویل‌های برودتی فین‌ دار با میزان تراکم مشخص در ساختار برج‌های خنک کننده مدار بسته استفاده می‌شود. جذب گرما در برج خنک کننده مدار بسته از طریق تماس هوای چرخشی با سطح کویل ها به وسیله نفوذ حرارتی و هدایت سرمایشی صورت می‌گیرد و در انتهای این فرآیند خنک ‌کاری، هوای گرمی که تولید شده از بخش فوقانی برج خنک کننده که به آن فن استک می گویند، خارج می‌شود.

در خنک کاری آب مدار اصلی به منظور افزایش دمای محیط در روزهای گرم سال از یک سیستم پاشش آب آدیاباتیک استفاده می‌شود، در روزهای گرم سال دمای خشک محیط تا ۴۵ درجه نیز افزایش می یابد. هنگامی که سیال هوا به کمک سیستم خنک کاری به آب مدار اصلی می‌آید، فرآیند خنک کنندگی سیستم خشک خواهد بود. به این نوع از برج خنک کننده با این مدل از سرمایش، کولینگ تاور خشک  dry cooling towerمی‌گویند. برج خنک کننده مدار بسته خشک مناسب استفاده در محیط‌ های خنک در فصل بهار پاییز و زمستان است.

هنگامی که بر دمای هوا افزوده می‌شود، سیکل پاششی آب بر روی کویل‌ها در سیکل بسته، فرآیند خنک کاری را انجام می‌دهد. این مدل از خنک کنندگی در واقع نوعی از برج خنک کننده مدار باز در داخل برج خنک کننده مدار بسته محسوب می‌شود. به جهت برخورداری برج خنک کننده مدار بسته از این قابلیت، در روزهای گرم سال دمای آب مدار اصلی تا دمای مرطوب که در حدود ۲٠ تا ۲۵ درجه است، کاهش می یابد.

مزایای برج خنک کننده مدار بسته

برج خنک کننده مدار بسته دارای مزیت های فراوانی است که شامل موارد زیر است:

1. این نوع از برج خنک کننده در خنک کاری آب عملکرد ثابتی دارد.
2. برج خنک کننده مدار بسته در مقایسه با برج خنک کننده مدار باز، دارای رسوب پذیری و رسوب گذاری کمتری دارد.
3. برج خنک کننده مدار بسته نیازی به قطعاتی چون بایوساید، سختی‌گیر و تعویض فیلترهای سیستم تأمین آب جبرانی ندارد.
4. به جهت کاهش میزان رسوب گذاری، هزینه تعمیر و نگهداری از برج خنک کننده مدار بسته کاهش یافته است.
5. کاهش هزینه‌های ناشی از فراهم کردن آب جبرانی یا Make up water
6. میزان افزایش دوره تعمیر و نگهداری یا آورهال زیاد است.
7. افزایش بازدهی و راندمان فرآیند خنک ‌کاری زیاد است.
8. برج خنک کننده مدار بسته نیازی به تجهیزات جانبی چون تزریق هیپوکلرید سدیم، سختی گیر رزینی و پکیج آنتی اسکالانت به جهت تصفیه آب در گردش ندارد.
9. از طریق اضافه کردن میزان معینی از اتیلن گلیکول در سیکل بسته، تنها با یک بار استفاده به آسانی می‌توان از سیستم در برابر یخ زدگی محافظت کرد.
10. با استفاده از سنسور های دما و ترموستات در سیکل چرخش آب، برج خنک کننده مدار بسته از قابلیت کنترل در فصول مختلف سال برخوردار است.
11. از طریق ایجاد تراکم و سطح ویژه بیشتر در بخش کویل برودتی، برج خنک کننده مدار بسته فضای کمتری را به خود اختصاص می‌دهد.
12. کاهش دمای آب در روزهای سرد سال بدون نیاز به سیکل پاششی و به صورت تماماً هوا خنک است.
13. با صرف هزینه بسیار کمی می‌توان لوله ها را در برابر اکسایش و زنگ زدگی حفاظت کاتودیک کرد.
14. رسوب گذار ورسوب پذیری بسیار کم است.

انواع کویل مورد استفاده در برج خنک کننده مدار بسته

در ساختار برج خنک کننده مدار بسته از انواع مختلفی از کویل‌ها استفاده می‌شود، این کویل‌ها عبارتند از:

• کویل سرمایشی مسی

در میان طراحی های صورت گرفته در انتقال حرارت و تهویه مطبوع از نوع مسی کویل سرمایشی بیشتر استفاده می‌شود. در واقع استفاده از مس زمانی قابل لمس است که نیاز به حجم معینی آب در یک مدت زمان کوتاه است. مثل استفاده در صنعت تبرید.

کویل های سرمایشی مسی در مصارف مختلفی استفاده می‌شوند که از آنها می‌توان به چیلر و برج خنک کننده اشاره کرد. از کویل های سرمایش مسی با ابعاد ۵.۸ اینچ که قطر آن در حدود  ۶۳/٠ تا ۹/٠ است بیشتر استفاده می شود. علت متداول بودن این مدل از کویل‌های مسی در برج‌های خنک کننده مدار بسته به جهت داشتن ضریب نفوذ حرارتی بسیار بالای آن‌ها ست.

به منظور در اختیار داشتن یک طراحی تضمین شده در فرآیند خنک کاری آب از طریق برج خنک کننده مدار بسته می‌بایست از کویل های مسی در آن استفاده کرد.

نکته حائز اهمیت در استفاده از فلز مس که می بایست به آن توجه داشت این است که اگر سیال خنک کاری، خاصیت اسیدی دارد نباید از برج خنک کننده با کویل های مسی استفاده کرد. عدم توجه به این موضوع موجب می‌شود سیستم در یک بازه کوتاه زمانی دچار خوردگی شده به دنبال آن خسارت های جبران ناپذیری به سیستم وارد شود.

• کویل گالوانیزه گرم مانسیمان

این نوع از کویل سرمایشی که ابعاد ۱.۲ و ۳.۴ دارد بدون درز و از جنس گالوانیزه لوله های فولادی ساخته می شود. لوله فولادی این مدل از کویل سرمایشی به جهت قیمت پایینی که دارد، مورد استقبال تولید کنندگان برج های خنک کننده قرار گرفته است. رسوب گرفتگی در مدار داخلی لوله و کاهش انتقال حرارت از ایراداتی است که به این مدل از کویل سرمایشی نسبت داده می‌شود.

• کویل آلومینیوم

نرمی فلز آلومینیوم نه تنها تولید کویل آلومینیومی را آسان‌تر کرده بلکه موجب کاهش هزینه تمام شده آن نیز شده است، علاوه بر این ها ضریب کانداکتیومی این فلز بسیار مطلوب است به همین جهت غالباً از فلز مس در تولید کویل های برودتی و فین های برودتی استفاده می شود. از این مدل از کویل های سرمایشی در بسیاری از انواع برج‌های خنک کننده مدار بسته خشک و هیبریدی استفاده می‌شود.

• کویل استنلس استیل گرید ۳۰۴ L

در بیشتر مصارف همگانی تر از کویل گرید ۳۰۴ استیل استفاده می‌شود، این نوع از کویل سرمایشی در مقابل خوردگی استحکام بالایی ندارد و به همین علت در مصارفی که در آن از اسیدهای چون سولفوریک اسید استفاده می‌شود به عدم به کار گیری از آن توصیه می‌شود. غالباً از استنلس استیل گرید ۳٠۴ در آب ‌های کثیف و نمکی که برج خنک کننده رسوبات کمتری بگیرد استفاده می‌شود.

• کویل استنلس استیل گرید ۳۱۶ L

این نوع کویل سرمایشی در برابر اسید و خوردگی مقاومت بسیار بالایی دارد و مناسب استفاده در سیستم های خنک کاری اسیدی است. نام تجاری این گرید استیل SS 316 L است و با ضخامت های مختلف و در رده های ۱٠ تا ۵٠ در برج های خنک کننده مورد استفاده قرار می گیرد. کویل های سرمایشی برج خنک کننده مدار بسته در ضخامت های استاندارد ۱۱/۲ میلی متری تولید می شود.

نکته بسیار مهمی که در رابطه با کویل های استنلس استیل مورد استفاده در برج خنک کننده مدار بسته باید به آن توجه داشت عدم استفاده از نوع درز دار است. در نوع درز دار احتمال خوردگی در محل درزها بسیار زیاد است و به همین علت کارشناسان توصیه می کنند که از لوله استیل مانسیمان بدون درز در ساخت کویل‌های استنلس استیل در برابر اسید استفاده کنند.

عوامل موثر در خشک یا تر بودن نوع برج خنک کننده مدار بسته چیست؟

از عواملی که در انتخاب نوع برج خنک کننده اعم از خشک یا تر بودن سیستم تاثیرگذار است، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• تصفیه آب

در یک سیستم به منظور ثابت نگه داشتن سطح کیفی مایع فرآیندی و تصفیه آب، مراحل مختلفی تأثیر گذارند که این مراحل شامل افزودن آب تازه و تمیز، تصفیه شیمیایی و تجهیزات فیلتراسیون است.

• کارایی

اهمیت استفاده از یک سیستم پاک و مطمئن به جهت حفظ یک برج خنک کننده مدار بسته زمانی بیشتر احساس می‌شود که به سیستم خنک کاری با ظرفیت کامل در طول سال نیاز باشد. در برج خنک کننده مدار بسته شاهد عدم ورود آلاینده‌های هوایی و رسوب آنها هستیم. در رابطه با برج خنک کنندگی مدار باز می‌بایست گفت به منظور حفظ عملکرد بهینه سیستم و حصول اطمینان از کارایی مشابهی که در برج خنک کننده مدار بسته اتفاق می‌افتد، لازم است نگهداری دوره‌ای سیستم مورد توجه قرار گیرد. در ضمن فرآیند آب تمیز از عوامل بسیار مهم و اساسی است که در عملکرد و بازدهی بالای مبدل‌های حرارتی و چیلرها تاثیرگذار است.

• هزینه

در ساختار برج خنک کننده مدار بسته بر خلاف برج خنک کننده مدار باز از مبدل حرارتی استفاده شده است که همین امر موجب افزایش هزینه اولیه این سیستم شده اما در خصوص این هزینه اولیه می‌بایست گفت با عملکرد بسیار خوب برج خنک کننده مدار بسته، میزان هزینه پرداختی در طول عمر سیستم برج خنک کننده به نوعی جبران خواهد شد. برخی از این موارد که منجر به میزان بالای کارکرد برج خنک کننده می شوند عبارتند از:

• در فصول سرد سال حالت خنک سازی آزاد برج خنک کننده مدار بسته موجب کاهش مصرف انرژی می‌شود.
• کاهش هزینه های نگهداری سیستم داخلی در برج خنک کننده مدار بسته
• به جهت استفاده از مایع فرآیندی تمیز در برج خنک کننده مدار بسته، سطوح داخلی سیستم تمیزتر شده و همین موضوع به افزایش بازدهی اجزای سیستم مانند چیلر می‌انجامد.
• کاهش هزینه تصفیه آبی که به منظور استفاده در تجهیزات تبخیری این سیستم استفاده می شود.
• انعطاف پذیری

برج خنک کننده مدار بسته قابلیت انجام چه حالت‌هایی را دارد که در برج خنک کننده مدار باز ممکن نیست؟

• عملکرد خشک

عملکرد خشکی که این سیستم آن را ارائه می‌دهد مزایایی چون پیش گیری از پر شدن مواد، انجماد سیستم، صرفه‌جویی در تصفیه آب و مواد شیمیایی دارد.

• فرآیند خنک‌ کاری سیستم بدون استفاده از مبدل حرارتی متوسط

چیلر خاموش است.

• پمپاژ متغیر

آبی که در پخش کندانسور سیستم بسته وجود دارد بستری را از طریق سرعت متغیر فراهم می‌کند تا در مصرف انرژی صرفه‌جویی شود.

• نگهداری

به منظور بالا بردن طول عمر بخش‌های مختلف برج خنک کننده مدار بسته مانند کمپرسور و کندانسور می‌بایست سیال‌های فرآیندی تمیز در اختیار سیستم قرار بگیرد. سیال فرآیندی مورد استفاده در برج خنک کننده مدار بسته به صورت کامل از محیط جدا شده و معمولاً برای مراقبت و نگهداری از آن تنها به تجهیزاتی که گرما را از سیستم حذف می‌کند نیاز است.

نگهداری از برج خنک کننده مدار بسته

تقسیم سیستم خنک کننده به سیستم آب داخلی و سیستم آب بیرونی در برج خنک کننده مدار بسته از طریق کویل تبادل حرارت صورت می گیرد. این سیستم از قابلیت حفظ سیال فرآیندی بدون آلودگی برخوردار است، این ویژگی موجب شده شیوه تولید سیستم با راندمان بالایی صورت بگیرد.

غالباً از فیلتر شنی و دستگاه سختی گیر به منظور نگهداری از برج‌های خنک کننده مدار بسته خشک استفاده می‌شود، مزیت استفاده از این تجهیزات این است که آب جبرانی مورد نیاز سیستم از طریق آب تصفیه شده تأمین می شود.

نکته‌ای که در خصوص برج‌های خنک کننده وجود دارد این است که در برج‌های خنک کننده هدر رفت و نشتی آب وجود دارد، هدر رفت و نشتی در زمان خوردگی بیشتر است و در این زمان سیستم نیازمند تعمیر است. با توجه به این موضوع به کار بردن اصطلاح بسته در این سیستم نباید کار درستی باشد.

برج‌های خنک کننده در بیشتر مواقع  به گونه ایی طراحی شده اند که از مخزن هد به جهت کنترل آب و کنترل تقاضا در آنها استفاده می‌شود، با توجه به این مطلب احتمال ورود مقداری اکسیژن به برج خنک کننده وجود دارد که این موضوع ریسک خوردگی را در سیستم افزایش می‌دهد. در برج‌های خنک کننده مدار بسته می‌توان از کیفیت های مختلف آب استفاده کرد اما غالباً در آنها از مایعات یا آب معدنی که فرآیند تصفیه را گذرانده استفاده می‌شود. زمانی که از این آب در سیستم مدار بسته در مقایسه با آبی که خلوص کمتری دارد استفاده می شود ریسک تشکیل ترکیبات به کمترین میزان ممکن با عوامل خورنده و سختی آب همچون سولفات و کلرید می‌رسد.

متداول ‌ترین نوع مواد لوله کشی در برج‌های خنک کننده مدار بسته فولاد کربن است. در ساخت لوله‌های مبدل حرارتی یا صفحات مبدل حرارتی P&F غالباً از آلیاژ مس یا فولاد ضد زنگ استفاده می‌شود و در لحیم کاری اتصالات داخلی کویل‌های برج های خنک کننده مبدل حرارتی نیز از سایر فلزات و آلومینیوم استفاده می‌شود.

از اساسی ‌ترین و مهم‌ ترین نکاتی که می‌بایست در زمان برنامه ریزی برنامه کنترلی به آن توجه داشت اطلاع دقیق از کل متالوژی سیستم برج خنک کننده است. البته در برج خنک کننده عوامل متعدد دیگری نیز وجود دارند که سلامت برج خنک کننده را می‌توانند تهدید کنند،  اما از طریق سرویس دوره ایی منظم و دقیق می‌توان از بروز آنها پیش گیری کرد.