درباره برج های خنک کننده مدار باز و مدار بسته | دماتجهیـز

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 دارویی، شیمیایی، غذایی و... استفاده می­‌نمایند.

این تجهیزات از نظر نوع عملکرد، نوع سیستم توزیع آب، شکل و جنس بدنه، نحوه برخورد جریان آب و هوا، نوع مکش جریان هوا و... انواع مختلفی دارند که هر کدام از آن­ ها دارای ویژگی ­ها و محدودیت ­هایی هستند و کاربردهای متنوعی دارند.

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

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

برج ­های خنک ­کننده مدار باز و مدار بسته در صورتی که برای کاربرد مورد نظر به درستی طراحی، انتخاب و محاسبه شوند می ­توانند راندمان حرارتی قابل قبول با طول عمر بالایی داشته باشند. تشخیص اینکه کدام یک از برج های خنک ­کننده مدار باز یا مدار بسته برای کاربرد مورد نظر مناسب ­تر است نیازمند شناخت نحوه عملکرد، ویژگی ­ها و کاربرد های هر کدام از آن ­ها است و بر عهده مهندسان و افراد متخصص و با تجربه در این خصوص می­ باشد.

در همین راستا در ادامه به معرفی برج ­های خنک­ کننده مدار باز و مدار بسته پرداخته می ­شود و ویژگی ­ها و محدودیت ­های هر یک از آنها از دیدگاه های مختلف مورد بررسی و مقایسه قرار می ­گیرد.

1. 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 و این خصوص موجب افزایش سطح تماس (تبادل حرارتی) آن 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 برج خنک‌ کننده رخ می‌­دهد. بدین صورت می­توان آب را تا دمایی پایین ­تر از دمای محسوس محیط و اندکی بالاتر از دمای مرطوب محل خنک نمود. پس از ریزش آب از روی پکینگ ­ها، آب خنک شده درون تشتک برج انباشته شده و در نهایت به سیکل سیستم 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.

ساختار و نحوه عملکرد برج خنک ­کننده مدار باز در تصویر زیر مشاهده می ­شود.

ویژگی ­ها و محدودیت­ های برج­ های خنک­ کننده مدار باز

متداول ­ترین نوع برج خنک ­کننده ­ای که امروزه در مقیاس گسترده‌ای مورد استفاده قرار می­گیرد برج­ خنک­ کننده مدار باز است. 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.
بنابراین در حالی که برج­ های خنک­ کننده مدار باز هزینه و قیمت خرید اولیه کمتری در مقایسه با برج ­های خنک ­کننده مدار بسته دارند، اما به دلیل رسوب گیری سیستم و لوله های کندانسور، مهندسان باید هزینه ­های نصب و استفاده از سختی گیر و فیلتراسیون آب و هزینه­ های تعمیر و نگهداری مربوط به رسوب ­زدایی را نیز در نظر داشته باشند.

برج ­های خنک ­کننده مدار باز نسبت به برج های خنک کننده صنعتی و مدار بسته 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 این نوع از برج خنک ­کننده قادر است آب خروجی را تا دمایی نزدیک به دمای حباب تر محیط خنک نماید.

همانطور که پیش ­تر نیز بیان شد 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 ذرات معلق و آلودگی­ های موجود در هوای محیط قرار می‌گیرد. بنابراین آلودگی ­های موجود در هوا عمدتاً شامل ذرات معلق، حشرات، برگ درختان و... از این طریق وارد برج خنک کننده می‌شود؛ لذا نگهداری صحیح و تمیز تمام تجهیزات برج خنک ­کننده مدار باز کاملاً ضروری است. این موضوع نیز اهمیت فیلتراسیون و تصفیه آب در گردش سیستم را تشدید می­ کند. در صورتی که آب درون تشتک برج خنک­ کننده مدار باز کاملاً تمیز نشود، به دلیل رسوب گرفتن لوله های کندانسور راندمان حرارتی برج خنک­ کننده و مبدل حرارتی سیستم (کندانسور) در طول زمان کاهش می‌­یابد. بنابراین در برج ­های خنک ­کننده مدار باز برای حفظ بهینه سطوح انتقال حرارت لازم است برنامه پاکسازی منظمی جهت رسوب زدایی از آب در گردش آنها در نظر گرفته شود.

2. 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 غیر مستقیم هوا و آب با سیال درون کویل برج برای خنک کردن سیال درون کویل استفاده می­ شود. در برج خنک­ کننده مدار بسته برای جلوگیری از تماس مستقیم هوا و آب با سیال درون کویل خنک کاری در سطح کویل­ های برج خنک­ کننده توسط آب به گردش در آمده (و آب موجود در تشتک برج) انجام میگردد. در این روش پس از پمپ شدن آب تشتک برج به سمت بالای برج، توسط نازل هایی بر روی کویل ­های حاوی آب اسپری می­ شود. در برج خنک­‌کننده مدار بسته بخشی از خنک­ کاری مورد نظر در اثر تماس غیرمستقیم و تبادل حرارتی بین هوای ورودی به برج و آب داغ یا روغن یا هر سیال صنعتی دیگر موجود در کویل‌ها صورت می­گیرد. همچنین در اثر پاشش آب بر روی کویل ­ها و برخورد ذرات آب با سطح گرم لوله های 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. ناگفته نماند با وجود اینکه آب در گردش برج های خنک کننده مداربسته وارد مبدل حرارتی و کندانسور خاصی نمی‌شوند ولی عملیات Blowdown و رسوب گیری از کف تشتک آنها نیز باید هر ماه به دلیل لزوم حذف آلاینده های جذب شده هوا در برج مانند گرد و خاک، ذرات معلق، حشرات، برگ درختان بصورت منظم انجام گردد.

ساختار و نحوه عملکرد برج خنک­ کننده مدار بسته در تصویر زیر قابل مشاهده است.

ویژگی ­ها و محدودیت ­های برج­ های خنک ­کننده مدار بسته

استفاده از کویل­ ها در برج خنک ­کننده مدار بسته باعث می ­شود، آب یا هر سیال صنعتی نیازمند خنک ­کاری از آب موجود در برج خنک­ کننده جدا شود و به این صورت از تماس بین آب برج خنک ­کننده و هوا نیز جلوگیری به عمل می ­آید. به همین دلیل، سیال درون کویل فاقد آلودگی و ناخالصی بوده و نیازی به تأمین سیال جبرانی نخواهد بود. بنابراین در مواردی که آب نیازمند خنک ­کاری نمی ­تواند در تماس با هوا قرار بگیرد (به عنوان نمونه در صنایع غذایی، شیمیایی و ...) ضروری است که از برج خنک ­کننده مدار بسته استفاده شود.
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 مانند کندانسورها 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 است. همچنین به دلیل کاهش قابل توجه میزان رسوب و گرفتگی در این برج‌ها، استفاده از سیستم مدار بسته در برج­ های خنک ­کننده می­تواند به کاهش یا حذف نیاز به تصفیه فیزیکی/ شیمیایی دائم آب ­های موجود در سیستم برج خنک ­کننده و هزینه های ناشی از آن کمک نماید.

عملکرد خنک کاری توسط برج­ های خنک ­کننده مدار بسته، تمیزتر و پایدارتر است و از آن جایی که سطوح انتقال حرارت برج های خنک کننده مدار بسته رسوب کمتری دارند، در مدت زمان طولانی راندمان حرارتی بالاتری نسبت به برج‌های خنک کننده مدار باز خواهند داشت. بنابراین در بسیاری از کاربردهای سرمایشی به دلیل حفظ قابلیت فعالیت طولانی مدت برج خنک­ کننده مدار بسته در اوج راندمان از آنها استفاده می‌شود.

به عنوان مثال، ساختمان­ های مجهز به پمپ حرارتی با منبع آب که به طور وسیعی در ساختمان ­های اداری، هتل­ ها و مراکز درمانی استفاده می ­شوند، یکی از رایج ترین موارد کاربرد برج­ های خنک کننده مدار بسته هستند. همچنین استفاده از برج ­های خنک­ کننده مدار بسته برای مراکز اطلاعاتی، واحدهای ذخیره­ کننده، صنایع دارویی و غذایی، چیلرهای تراکمی با راندمان بالا و انواع مختلف صنایع فرآیندی جهت کاهش دمای سیالات فرآیند در کارخانه ­ها رایج است.

در برج خنک­ کننده مدار بسته به دلیل عدم تبخیر سیال خنک ­کاری شده درون کویل­ ها نیازی به افزودن آب یا هر سیال جبرانی دیگر به سیال سیکل بسته نیست و اتلافات آب مربوط به فرآیند تبخیر در برج خنک­ کننده مدار بسته، بر اساس نوع تجهیز سرمایشی متصل به سیکل مورد نظر کاهش می ­یابد. بنابراین مصرف آب در برج ­های خنک کننده مدار بسته در مقایسه با برج­ های خنک­ کننده مدار باز 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.

همچنین برج­ های خنک ­کننده مدار بسته در مقایسه با برج خنک ­کننده مدار باز با ظرفیت مشابه، معمولاً به توان اسب بخار کمتری برای پمپ کردن آب نیاز دارند. بنابراین در برج ­های خنک ­کننده مدار بسته، کاهش هزینه های مصرفی قابل ملاحظه ­ای در ارتباط با کاهش توان اسب بخار مورد نیاز برای پمپ کردن، حذف شیرهای گران ­قیمت و تجهیزات و لوله‌کشی­ های اضافی مربوط به تأمین آب جبرانی حاصل می­ شود. علاوه بر این­ ها در برج­ های خنک­ کننده مدار بسته با کاهش ضرورت تصفیه فیزیکی و شیمیایی آب، کاهش مصرف آب و کاهش عملیات نگهداری آنها در نهایت کاهش هزینه های مصرفی را در پی خواهد داشت. بنابراین اگرچه هزینه سرمایه­ گذاری برج های خنک­ کننده مدار بسته به دلیل دارا بودن تجهیزاتی همچون کویل ­های تبادل حرارت و پمپ آب اضافی در مقایسه با برج ­های خنک­ کننده مدار باز بیشتر است، اما هزینه ­های بهره ­برداری، مصرف بیشتر آب و برق، نگهداری و نصب تجهیزات اضافه در برج خنک کننده مدار باز نیز باید در نظر گرفته شوند.

به دلیل آن که آب خنک و تمیز تأمین شده در برج خنک ­کننده مدار بسته نیاز به نگهداری لوله­ های کندانسور و تمام تجهیزات مرتبط با برج خنک ­کننده را کاهش می ­دهد، طول عمر برج خنک­‌کننده مدار بسته طولانی­ تر می ­باشد. همچنین موجب کاهش خرابی های برج خنک کننده می‌شود که برای مراکز اطلاعاتی و برخی کاربردهای صنعتی، دارویی و غذایی نیازمند سرمایش ضروری بسیار حائز اهمیت است.

برج­ های خنک ­کننده مدار بسته همچنین مزیت­ هایی از جهت فعالیت در دماهای محیط نزدیک به صفر برای سیستم­ های خنک ­کننده ایجاد می ­کنند. در حالی که برخی از انواع برج ­های خنک ­کننده مدار بسته به پیشگیری از انجماد در زمستان نیاز دارند، تمام برج ­های خنک ­کننده مدار باز باید به گرمکن ­های تشتک و یک سیستم تخلیه-برگشتی یا گردشی برای مواقع توقف فعالیت سیستم در شرایط یخ­زدگی مجهز شوند.

برج­ های خنک­ کننده مدار بسته در فصول سرد قابلیت ایجاد سرمایش خشک را دارند. بنابراین اگر شرایط هوای بیرون مطلوب باشد (در فصول زمستان و پاییز)، به طوری که عملیات خنک ­کاری در برج خنک ­کننده مدار بسته بتواند تنها توسط فن ­هوادهی برج انجام شود، جریان انرژی پمپی که آب را برای پاشش توسط نازل ­ها از تشتک به سمت بالای برج انتقال می ­دهد قطع می‌شود و این موضوع نه تنها مصرف آب را تا حد زیادی کاهش می­ دهد، بلکه با خاموش شدن پمپ گردشی در مصرف انرژی الکتریکی نیز صرفه‌­جویی می ­گردد.

عملکرد برج­ های خنک ­کننده مدار باز تا حد زیادی به دمای محسوس محیط (ولی بالاتر از دمای مرطوب محیط) وابسته است و رطوبت هوا عامل مهمی در عملکرد این گونه از برج­ های خنک ­کننده نیست. بنابراین بر خلاف برج­ های خنک ­کننده مدار باز، برج­ های خنک ­کننده مدار بسته در مناطقی با رطوبت نسبی بالا هم قابل استفاده هستند.

لازم به ذکر است که برج ­های خنک ­کننده مدار بسته برای نصب و راه ­اندازی به مساحت و ارتفاع زیادی نیاز ندارند و به همین دلیل در محیط ­هایی که فضای محدودی دارند نیز بیشتر قابل استفاده هستند.

در نهایت اگر بخواهیم به طور خلاصه مقایسه ­ای بین برج­ های خنک ­کننده مدار باز و مدار بسته داشته باشیم باید به موارد زیر توجه نماییم.

مقایسه برج خنک ­کننده مدار بسته و مدار باز

سخن پایانی

در این مقاله به مقایسه برج های خنک کننده مدار باز و مدار بسته پرداخته شده و امیدواریم که مطالب مفیدی را در این خصوص ارائه داده باشیم. شما می‌توانید برای مشاهده مقایسه انواع برج خنک کننده با برند و ظرفیت های متفاوت و همچنین اطلاع از قیمت به روز آنها به سایت مجموعه تخصصی دماتجهیز (اولین و معتبرترین مجموعه تخصصی در حوزه تأسیسات ساختمان و کلیه دستگاه های تهویه مطبوع از سال 1383 و دارا بودن 3 جواز کسب معتبر) مراجعه نمایید. جهت کسب اطلاعات بیشتر و دریافت مشاوره، با کارشناسان واحد تهویه مطبوع دماتجهیز از طریق شماره تلفن 88822550-021 تماس حاصل نموده و از کارشناسان واحد تهویه مطبوع مجموعه تخصصی دماتجهیز مشاوره دریافت فرمایید.

مقالات مرتبط

جهت کسب اطلاعات بیشتر، پیشنهاد می‌شود مطالب مرتبط با مقاله "درباره برج های خنک کننده مدار باز و مدار بسته" را نیز مطالعه فرمایید.

• همه چیز درباره برج خنک کننده
• چگونگی انتخاب بهترین برج خنک کننده
• برج خنک کننده مدار بسته

منتظر تماس و مشتاق دیدارتان در مجموعه تخصصی دماتجهیز هستیم

با اشتراک گذاری مقاله فوق در شبکه های اجتماعی، دوستان خود را از مطالب مهم آن آگاه سازید.