یکی از تجهیزات مهم و حیاتی در پالایشگاه ها برج های خنک کننده هستند.

آشنایی با نحوه کارکرد و طراحی برج های خنک کننده از جمله وظایف یک مهندس فرآیند است.

در این مقاله با نحوه عملکرد و تکنیک های طراحی Cooling Tower آشنا خواهید شد…

آنچه خواهید خواند….

  • برج خنک کننده چیست؟
  • نحوه عملکرد برجهای خنک کننده
  • انواع برج های خنک کننده
  • لیست دمای حباب اندازه گیری شده مناطق مختلف در ایران
  • طراحی برج خنک کننده
  • پارامتر های موثر در طراحی برج خنک کننده

#1 برج خنک کننده (Cooling Tower) چیست؟

نوعی مبدل حرارتی است
که در آن در اثر برقراری تماس بین آب گرم و هوای خنک باعث پایین آمدن دمای آب گرم میشود.

اگر به یکی از پالایشگاه های موجود در ایران رفته باشید و یا تصاویر آنها را دیده باشید
مطمئنا اولین چیزی که از دور دست ها هم کاملا مشخص و واضح است،
تجهیز برج خنک کن یا Cooling Tower می باشد،
دلیل این موضوع هم میتواند وابسته به بزرگ سایز بودن این تجهیز باشد.

برج خنک‌کننده متقاطع

این سیستم به 2 دلیل مهم بسیار پر استفاده است:

  • کم هزینه ترین سیستم خنک کننده با آب است.
  • میزان هدر رفت آب گرم در آن بسیار کم است

#2 طرز کار برج خنک کننده

هوایی که ترجیحا مقدار کمی رطوبت دارد در تماس با آب گرم قرار میگیرد،
در چنین حالتی بدلیل وجود اختلاف انرژی و هم چنین گرادیان غلظت انتقال انرژی و جرم از آب به هوا صورت میگیرد.
آب از فاز مایع تبخیر شده و به فاز بخار میرود و در اثر تبخیرش مقداری انرژی را نیز به فاز گاز میبرد،
مقدار این انرژی بسیار بالاست و آن هم بدلیل بالا بودن گرمای نهان آب است،

عملکرد برج خنک کننده

به این ترتیب در اثر تبخیر مقداری آب و خارج کردن گرما از فاز مایع دمای آب پایین میاید.
لازمه انجام این فرایند این است که هوای مورد استفاده در برج دارای مقدار کمی رطوبت باشد،
تا ظرفیت پذیرش آب تبخیر شده را داشته باشد.

برج خنک کننده

پس به صرفه نیست که از این روش در مناطق شمالی کشور استفاده شود،
زیرا بدلیل رطوبت بالای هوا در این مناطق بازدهی این برج ها بسیار پایین میاید.

#3انواع برج های خنک کننده در صنعت

برج های خنک کننده را بر اساس پارامتر های مختلفی میتوان دسته بندی کرد،
3 پارامتر اصلی دسته بندی این نوع برج ها عبارتند از:

  1. جهت حرکت آب و هوا
  2. روش انتقال حرارت
  3. نوع مکش هوا

#3-1انواع برج های خنک کننده بر اساس جهت حرکت آب و هوا

در این نوع دسته بندی یک برج خنک کننده به 2 دسته تقسیم میشود:

  • جریان متقاطع
  • جریان ناهمسو

هرکدام از این نوع برج ها در شرایط خاصی استفاده میشود.

#3-1-1برج خنک کننده متقاطع

همانطور که از نام آن میتوان فهمید
در این تجهیز ورود آب از بالا به پایین و جریان هوا هم بصورت متقاطع وارد میشود
و پس از تماس با آب از بالا خارج میشود.

مدل متقاطع

از مزایای این نوع برج ها میتوان به 3 مورد اشاره کرد:

  • هزینه پایین
  • تعمیر و نگهداری ساده

برج خنک کننده متقاطع

از این نوع تجهیزات برای صنایع فشرده سازی هوا بیشتر استفاده میشود.

شاید در دانشگاه محل تحصیل خود هم این نوع برج ها را دیده باشید.

#3-1-2برج خنک کننده ناهمسو

در این تجهیزآب از بالای برج و هوا در خلاف جهت آن از پایین برج وارد میشود
آب از بالای پرکن ها وارد برج شده و در قسمت پرشده برج با هوا تماس پیدا میکند.

برج با جریان ناهمسو

ناهمسو بودن فرایند،هم از نظر انتقال جرمی و هم انتقال حرارت بازدهی بالاتری نسبت به متقاطع دارد.
به همین دلیل وقتی که بخواهیم برای حجم زیادی آب عملیات خنک سازی را انجام دهیم،
از این برج ها استفاده میکنیم.

برج خنک کننده ناهمسو

از جمله مزایای این نوع برج ها عبارتند از:

  • بیشترین تماس بین فازها در این برج ها برقرار میشود
  • بیشترین نیروی محرکه برای انتقال جرم و حرارت

برج خنک کننده ناهمسو

از این برج ها بیشتر در پالایشگاه های نفت و گاز و پتروشیمی استفاده میشود.

#3-2انواع برج های خنک کننده بر اساس روش انتقال حرارت

#3-2-1برج خنک کننده خشک

در این نوع خنک کننده ها آب نقشی ندارد،
بلکه سیال فرایندی با عبور از یک مبدل توسط هوا خنک میشود.

#3-2-2برج خنک کننده مدارباز (Open Circuit Cooling Tower)

خنک سازی در این برج ها با تبخیر آب انجام میشود.
از مزایای این تجهیزات بازده بالای انرژی است،
اما مشکل اصلی این برج ها نیز هزینه بر بودن بهره برداری آنهاست.

#3-2-3برج خنک کننده مداربسته (Closed Circuit Cooling Tower)

اساس کار این تجهیز مثل برج های مدار باز است
با این تفاوت که سیال فرایندی با هوای خنک تماس پیدا نمیکند.

برج خنک کن مدار بسته

#3-3انواع برج های خنک کننده بر اساس نوع مکش هوا

#3-3-1مکش طبیعی(Natural Draft)

در این تجهیز در اثر تبخیر آب دمای هوا بالا میرود،
و همانطور که میدانیم،در گاز ها دما با چگالی رابطه ی عکس دارد
پس با افزایش دما چگالی کاهش میابد و هوا بطور طبیعی به بالا صعود میکند.

از جمله مزایای این تجهیز عبارت است از:

  • ایمنی بالا
  • بازده بالای انرژی

البته در کنار این مزایا،موارد زیر از معایب این نوع برج های خنک کننده است:

  • عدم تطابق با شرایط اتمسفری
  • فضای مورد نیاز نصب
  • هزینه اولیه بالا

از این نوع تجهیز در نیروگاه های تولید برق بیشتر استفاده میشود.

#3-3-2 مکش مکانیکی

این نوع برج ها خود به دو گروه تقسیم میشوند:

  • دمیدن اجباری (Forced Draft):
    در این دسته از برج ها یک فن در پایین برج وجود دارد
    که هوا را بطور ناهمسو با آب تماس میدهد.
    در صنایع شیمیایی از این روش استفاده میشود.

برج خنک کن با دمیدن اجباری

  • مکش اجباری (Induced Draft):
    دقیقا شبیه برج های قبلی است
    اما فن در بالای برج نصب میشود و هوای ورودی را به بیرون پرتاب میکند
این را هم ببینید
مبدل حرارتی

#4 محاسبات و طراحی برج خنک کننده

محاسبات برج های خنک کننده بر پایه معادلات موازنه جرم و انرژی انجام می شود.
برای این کار باید به کتب مراجع که در این زمینه توضیحاتی ارائه کرده اند مراجعه کنید.
از جمله این مراجع کتاب مک کیب است که در این زمینه اطلاعات تقریبا کاملی ارائه کرده است.

هم چنین مقالات زیادی نیز در این زمینه وجود دارد،
که برای محاسبات پارامتر های مهم در برج خنک کننده ارائه کرده اند،
که یکی از بهترین این مقالات را برای راحتی دسترسی شما عزیزان قرار داده ایم:

مقاله طراحی برج خنک کننده

#5 4 پارامتر مهم در طراحی برج خنک کننده

#5-1 دمای حباب مرطوب (Wet Bulb Temperature)

پایین ترین دمایی است که با تبخیر آب در هوا میتوان آنرا خنک کرد،
این حالت زمانی اتفاق میفتد که هوا به حالت 100 درصد اشباع از رطوبت برسد.

دمای حباب

در برج های خنک کننده،این پارامتر بیانگر یک حالت تعادلی است،
در واقع دانستن این دما در یک محیط جغرافیایی به ما میگوید
که
با استفاده از این مکانیزم خنک سازی،
در نهایت به این مقدار دما میتوان رسید.

این پارامتر برای مناطق مختلف اندازه گیری شده
و به همراه چند پارامتر دیگر در نقاط مختلف کشور در فایل زیر آورده شده است:

خاورمیانه دمای حباب تر


#5-2 دبی آب

طبیعی است که هرچه مقدار آبی که میخواهیم خنک کنیم بیشتر باشد،
باید از برج بزرگتری برای این کار استفاده کنیم.

#5-3 دمای Approach

عبارت است از اختلاف دمای هوای خروجی و دمای حباب مرطوب که هرچه کمتر باشد،
ظرفیت بالاتری از برج های خنک کننده نیاز است
چون کم بودن این پارامتر بیانگر نزدیکتر شده به دمای حباب مرطوب است.

Approach در برج خنک کننده

#5-4 دمای Range

به اختلاف دمای هوای ورودی و خروجی Range میگویند.
هرچه میزان این پارامتر بیشتر باشد طبیعی است که به برج بزرگتری نیاز داریم.

#5-5آب جبرانی در برج خنک کننده (Make Up)

در برج خنک کننده گرمای فرایند از طریق تبخیر مقداری آب صورت میگیرد،
هم چنین مقداری آب نیز توسط هوا به بیرون میرود که به این پدیده همراه بری آب می گویند.
از این رو  مقدار مواد معدنی در آب به تدریج و با گذشت زمان افزایش می یابد،
که این موضوع پدیده نامطلوبی است.

برای حل این مشکل همواره مقداری آب تحت عنوان آب جبرانی یا Make Up به برج وارد میشود.
که دبی این جریان از نوشتن موازنه جرم برای آب موجود در برج به سادگی بدست میاید.

امیدوارم در این مقاله تونسته باشیم به سوالات شما راجب این موضوع پاسخ بدیم،
و اما برای دریافت آموزش های تکمیلی حتما با ما همراه باشد….

مقاله بالا بخشی از بسته جامع آموزش طراحی فرآیند (PRC) است.

برای مشاهده کامل این بسته کلیک کنید.

مشاهده بسته طراحی فرآیند
بسته طراحی فرآیند

به آموزش طراحی فرآیند علاقه مندم

اگر محتوای آموزشی طراحی فرآیند را می پسندید برای دریافت آموزش های رایگان فرم را تکمیل کنید.

شماره موبایل پشتیبانی: ۰۹۰۱۷۰۳۹۳۲۹


نظرتون درباره این مقاله چیه؟
ما رو راهنمایی کنید تا اون رو کامل تر کنیم و نواقصش رو رفع کنیم.

توی بخش دیدگاه ها منتظر پیشنهادهای فوق العاده شما هستیم.