کولینگ تاور (Cooling Tower) یا معادل فارسی آن، برج خنک کننده، نوعی مبدل حرارتی است که مبتنی بر فرآیند سرمایش تبخیری بوده و گرمای غیر قابل استفاده آب را گرفته و آن را به هوای اتمسفر منتقل می‌کند. فرآیند خنک کردن آب جهت تولید آب خنک مورد نیاز در صنایع، نیروگاه ها، پتروشیمی ها، چیلرهای تراکمی و چیلرهای جذبی می‌باشد. کولینگ تاورها با تبخیر مقدار اندکی از آبی که در داخل آن ها درحال گردش است، گرمای آب را می‌گیرند. بیشترین استفاده از کولینگ تاور ها در داخل سیستم تهویه مطبوع جهت خنک کردن ساختمان می‌باشد.
نحوه عملکرد برج های خنک کننده یا کولینگ تاورها
همانطور که گفته شد فرآیند دفع حرارت از آب داغ وارد شده به برج خنک کننده به وسیله تبخیر مقداری از جریان آب صورت می‌گیرد. در کولینگ تاور، آب داغ و جریان هوا در سطحی وسیع با هم تماس بر قرار کرده و مقداری از آب در حال گردش، تبخیر می‌شود و به همین دلیل است که دمای آب باقی مانده کاهش پیدا می‌کند و خنک می‌شود. در این فرآیند، گرمای آب به هوای موجود در کولینگ تاور انتقال پیدا می‌کند و همانطور که دمای آب پایین تر می‌رود، رطوبت هوا افزایش پیدا می‌کند. می‌توان گفت رطوبت هوای داخل برج خنک کننده، تعیین کننده میزان توانایی کولینگ تاور در کاهش دمای آب ورودی می‌باشد. آب وارد شده به برج خنک کننده امکان کاهش دما تا سه درجه سانتی گراد بیشتر از دمای هوای مرطوب محیط را دارد. به همین خاطر، کولینگ تاورها که بر اساس سیستمی بر مبنای فرآیند سرمایش تبخیری کار می‌کنند، در محیط های شرجی و رطوبت بالا عملکرد مناسبی ندارند.
اجزاء اصلی برج خنک کننده
بررسی قطعات تشکیل دهنده و اجزاء کولینگ تاورها برای آشنایی بهتر با نحوه عملکرد آن ها ضروری است. برج های خنک کننده از قسمت های مختلفی تشکیل شده اند که مهم ترین آن ها عبارت است از:
- فن (Fan):
خنک کاری در کولینگ تاور توسط جابجایی هوا انجام می‌شود. مکانیزم جابجایی هوا عموما توسط فن صورت گرفته و با صرف انرژی همراه است. این فرآیند انتقال هوا با صرف انرژی را اصطلاحا جابجایی اجباری هوا می‌نامند. فن ها یا از نوع محوری یا مکنده هستند که در بالای برج خنک کننده قرار می‌گیرند و یا از نوع سانتریفیوژ یا دمنده هستند که در جلوی برج قرار می‌گیرند. جابجایی هوا بدون صرف انرژی، به کمک اختلاف دما و چگالی هوا صورت می‌گیرد و به جابجایی طبیعی هوا معروف است.
- نازل های آب پاش:
در قسمت ورودی آب داغ به برج خنک کننده قرار می‌گیرند و آب داغ را به صورت یکنواخت بر روی پکینگ ها می‌پاشند. این عمل باعث اتمیزه شدن آب ورودی می‌شود که هم باعث پخش یکنواخت آب بر روی سطوح خنک کننده شده و هم با کاهش فشار آب باعث پایین آمدن دمای تبخیر نیز می‌شود. همچنین با تبدیل شدن آب به قطرات ریز توسط نازل ها، سطح جابجایی حرارت بین آب و هوا افزایش پیدا می‌کند.
- پکینگ:
به سطوح خنک کننده در کولینگ تاورها، پکینگ (Packing) یا فیل (Fill) می‌گویند. پکینگ در واقع اصلی ترین قسمت برج خنک کننده می‌باشد و نوعی مبدل حرارتی به حساب می‌آید. آب داغ ورودی توسط نازل ها بر روی پکینگ پاشیده شده و به صورت لایه نازکی بر سطوح خنک کننده پخش می‌شود. در این قسمت آب در تماس با هوای بیشتری قرار می‌گیرد و میزان تبخیر افزایش می‌یابد. همچنین به دلیل اینکه آب در پکینگ به تله می‌افتد، زمان بیشتری برای تبخیر و خنک شدن آن وجود دارد. با وجود اینکه سطوح خنک کننده باید با مساحت زیاد، سطح تماس آب و هوا و در نتیجه تبخیر آب را بیشتر کنند، اما نباید ابعاد خیلی بزرگی داشته باشند.
- قطره گیر:
فن مکنده، هوا را با سرعت زیاد به بالای برج می‌کشد. برخی قطرات آب بدون تبخیر همراه با هوا به سمت خروجی فن کشیده می‌شوند. وجود این قطرات در جریان هوا باعث هدر رفت آب و گاهی آسیب به پروانه فن می‌شود. قطره گیر در کولینگ تاور بسیاری از قطرات موجود درهوا را حذف کرده و مانع رفتن آن ها به سمت فن می‌شود. قطره گیر ها در دو نوع تیغه‌ای و لانه زنبوری و معمولا با جنس PVC تولید می‌شوند. هر چه مسیرهای موجود در قطره گیر بیشتر باشد، هدر رفت آب کمتر می‌شود، ولی فشار بیشتری به فن ها وارد شده و مصرف انرژی افزایش پیدا می‌کند. وجود قطره گیر در کولیگ تاور الزامی نیست اما باعث بهینه سازی عملکرد آن می‌شود.
- حوضچه آب سرد:
حوضچه آب سرد یا تشتک، وظیفه دارد آب سرد را جمع آوری کرده و در قسمت پایین کولینگ تاور ذخیره کند.
- فلنچ آب جبرانی:
وظیفه اصلی پورت آب جبرانی، حفظ سطح بهینه آب مو جود در تشتک برج خنک کننده می‌باشد. پورت آب جبرانی به شناور متصل است. عملکرد این شناور مشابه عملکرد شناور کولر آبی است. هنگامی که آب تشتک برج خنک کننده تبخیر و یا خالی شود، شناور به سمت پایین حرکت کرده و آب بیشتری به کولینگ تاور وارد می‌شود. و زمانی که آب داخل تشتک افزایش یابد، شناور به سمت بالا حرکت کرده و ورود آب را محدود می‌کند.
- فلنچ آب سر ریز:
در صورت درست عمل نکردن شناور و پر شدن تشتک، آب اضافه توسط این پورت از برج خنک کننده خارج می‌شود. این سیستم به این علت تعبیه شده است که اگر آب درون تشتک از حد بهینه بیشتر شود و به سطوح خنک کننده (پکینگ) برسد، عملکرد کولینگ تاور مختل می‌شود.
- فلنچ آب تخلیه:
به علت ارتباط و تماس مستقیم آب و هوا، ممکن است آلودگی های موجود در ها به آب منتقل شده و باعث کثیف شدن آن بشود. آب آلوده شده توسط این پورت خارج شده و پورت آب جبرانی، آب تمیز وارد می‌کند. پورت آب تخلیه در پایین ترین قسمت تشتک برج خنک کننده قرار دارد.
- لوله آب داغ ورودی:
آب داغ از این قسمت وارد برج خنک کننده می‌شود. آب داغ از خروجی کندانسور تراکمی آب سرد یا خروجی کندانسور چیلر جذبی وارد می‌شود.
- لوله آب سرد خروجی:
آب خنک شده از این قسمت از کولینگ تاور خارج می‌شود. این آب به سمت دستگاه یا سیستم مورد نظر می‌رود تا در آن جا دوباره مورد استفاده قرار بگیرد.
انواع کولینگ تاور
برج های خنک کننده را به طور کلی می‌توان در دو دسته قرار داد.
- برج خنک کننده (کولینگ تاور) مدار باز:
کولینگ تاور مدار باز به نام های کولینگ تاور مرطوب یا کولینگ تاور تبخیری هم خوانده می‌شود. در این کولینگ تاور، جریان آب داغی که باید خنک شود در تماس مستقیم با هوا قرار می‌گیرد. به این صورت که آب داغ از قسمت بالای برج خنک کننده وارد شده و توسط نازل های آب پاش بر روی پکینگ پخش می‌شود. آب بر روی پکینگ به صورت لایه نازک یکنواختی توزیع می‌شود. در این قسمت آب در سطح بسیار وسیعی با هوا تماس پیدا کرده و خنک می‌شود. تماس هوا با آب، آن را به دو صورت خنک می‌کند؛ مقداری از گرمای آب به هوا منتقل می‌شود. زیرا هوا خنک است و در مجاورت با آب داغ، تا حدی گرمای آن را به خود می‌گیرد. حالت دوم که بخش عمده کار خنک کننده را تشکیل می‌دهد، خنک کاری توسط تبخیر است. در پایان هوای اشباع شده از رطوبت، از بالای برج خنک کننده وارد هوای اتمسفر می‌شود. قطره گیرهای موجود در بالای نازل های آب پاش از خروج قطرات آب به همراه هوا از این قسمت و هدر رفت آب جلوگیری می‌کنند. آب سرد شده به سمت تشتک در قسمت پایین برج رفته و خارج می‌شود. در کولینگ تاور مدار باز، راندمان خنک کردن بالا است اما با مصرف آب همراه است، زیرا مقداری از آب تبخیر می‌شود و نیاز به افزودن آب جبرانی دارد.
طراحی برج های خنک کننده مدار باز به دو صورت انجام می‌شود:
- جریان مخالف: در این نوع برج های خنک کننده مدار باز، امتداد جریان آب و هوا یکسان بوده اما جهت این دو با یکدیگر مخالف است. در این مدل، جریان هوا از قسمت پایین برج وارد می‌شود و به سمت بالا می‌رود، و جریان آب داغ هم از بالای برج وارد شده و به سمت پایین حرکت می‌کند.
- جریان متقاطع: این نوع برج های خنک کننده مدار باز، ذرات آب و هوا بر هم عمود می‌باشند. در این مدل آب داغ از بالای برج به سمت پایین می‌آید و جریان هوا به صورت افقی از کنار برج وارد شده و از طرف دیگر برج خارج می‌شود.
کولینگ تاور مدار باز با توجه به نحوه جریان هوا به دو دسته تقسیم می‌شود:
- کولینگ تاور با جابجایی اجباری هوا: هوا توسط عامل خارجی و به صورت اجباری به جریان می‌آید. فن های محوری یا سانتریفوژ این جریان اجباری هوا را به وجود می‌آورند.
- کولینگ تاور با جابجایی طبیعی هوا: جریان هوا بدون وجود هیچ گونه عامل خارجی ایجاد می‌شود. به واسطه ارتفاع زیاد برج خنک کننده، جابجایی طبیعی هوا صورت می‌گیرد.
اجزای اصلی کولینگ تاور مدار باز:
1- فن محوری
2- پکینگ جهت کاهش سرعت آب و افزایش سطح تماس بین آب و هوا
3-تشتک ذخیره آب خنک شده
4- قطره گیر جهت جلوگیری از خروج قطرات آب از بالای برج
5- ورودی آب داغ و نازل های آب پاش
- برج خنک کننده (کولینگ تاور) مدار بسته:
کولینگ تاور مدار بسته با نام های کولینگ تاور هوا خنک یا خشک نیز خوانده می‌شود. در کولینگ تاور مدار بسته، جریان آب تماس مستقیمی با هوا پیدا نمی‌کند؛ بلکه مبدل حرارتی دیگری (کویل) داخل برج تعبیه شده و آب از درون آن عبور می‌کند. یک جریان آب خنک از تشتک پایین برج به سمت بالا حرکت کرده و توسط نازل های آب پاش بر روی لوله های کویل پاشیده می‌شود. مقداری از آب در برخورد با لوله های کویل، به دلیل دمای بالای آن، تبخیر شده و اندکی از گرمای آب درون کویل کاسته می‌شود. جریان هوا به این فرآیند تبخیری کمک می‌کند و پس از اشباع شدن، از برج خارج شده و هوای خشک جایگزین آن می‌شود. هرچه دمای هوای خشک از دمای سطح لوله ها کمتر باشد، فرآیند خنک کردن بهتر و سریع‌تر انجام می‌شود. در این مدل به علت عدم تماس مستقیم هوا و آب، می‌توان به جای آب از سیالات دیگری نیز استفاده نمود.
اجزای اصلی کولینگ تاور مدار بسته:
1– ورودی آب داغ (یا هر سیال دیگر) به لوله های کویل
2- لوله های کویل برای عبور آب داغ از درون آن ها
3- فن
4- ورودی هوای خشک
5- خروجی آب خنک شده (یا هر سیال دیگری)