برج خنک کننده

برج خنک کننده

تجهیزات صنعتی و برودتی
برج خنک کننده

برج خنک کننده

تجهیزات صنعتی و برودتی

cooling tower برج خنک کننده

cooling tower

cooling tower

Cooling tower or in the modification of the cooling tower is a water cooling machine, which is also called "water cooling tower" . A cooling tower is a refrigeration machine that is typically used to reduce water temperature to a certain range. The reduction of water temperature in the cooling tower is naturally dependent on the temperature conditions of the installation environment. This cooling machine ( cooling tower) absorbs the heat of the machines by water and directs it to the outside environment.

It is interesting to know that the heat absorbed by the industrial equipment in the internal mechanism of the cooling tower is transferred to the outside by dry air. In other words, a cooling tower is a type of energy exchanger between climates, which is actually called a heat exchanger (heat exchanger). In fact, this refrigeration source exchanges heat energy by making contact and contact between hot water and ambient air. Heat is exchanged from hot water to cool air, which reduces the water temperature.

Why do we use a cooling tower ??

The question may be, why do we use a cooling tower? In response, it should be stated that the cooling tower is complementary to every device and machine that is used in a specific direction. In fact, it should be said that every industrial machine and any device that is used heats up after a while. Air or water is used to cool all industrial machines such as chillers, boilers, etc. The water that absorbs the heat of an industrial machine is heated and needs a device to reduce its temperature again. In other words, the cooling tower (also known as the cooling tower) is responsible for re-circulating water to cool other devices.

*** Take a closer look at the operation of the cooling tower

The cold water produced in the cooling tower re-absorbs the extra energy of the equipment and frequently transfers it to the air. This process is an iterative cycle that keeps the operating temperature of industrial machinery constant Water cooling tower or cooling tower with continuous production of cold water can take the heat of the chiller, boiler or induction furnace.

Permanent reduction of machine temperature and heat absorption of this equipment is required for system stability. Lack of cold water circulation will increase the temperature of these equipments and their inefficiency. Therefore, the need to use a cooling tower will stabilize the "system" with the highest efficiency. This system may be the air conditioning cycle of a residential, office or commercial building, or the production process of a particular product by an industrial machine.

Method of calculating the power or capacity of the cooling tower

The ability of a cooling tower to dissipate heat energy from a water fluid and transfer it to air is called refrigeration capacity or cooling tower capacity . The higher the cooling capacity of the cooling tower, the more water it will be able to bring to the desired temperature at a given time. The type of cooling fluid, the amount of fluid volume in rotation and the difference between the inlet and outlet temperatures of the fluid in the cooling tower are the main factors determining the capacity. The volumetric rate of circulating water is also called water flow rate. Of course, the ambient temperature factor, hot and cold water temperature are other factors involved in the design conditions. The difference between the inlet and outlet temperatures of the fluid is called the deltati or range.

Determining characteristics of cooling tower capacity

  • Circulating fluid flow rate (nominal fluid flow)

  • Type of coolant and determination of specific heating capacity

  • Fluid inlet and outlet temperature (outlet temperature depending on the design environment)

  • Design impact factor in calculating the nominal capacity and separating it from the actual power

Methods of calculating the cooling capacity of the cooling tower

  •  Thermodynamic equations governing design conditions (q = m * c * delta T)

  • Calculation based on the capacity and type of chiller only in the use of chiller cooling

  • Use of cooling software cooling capacity calculation software

 More information in the cooling tower calculations section


What is the meaning of refrigeration in the cooling tower?

You must have heard many times that the capacity of the tower is equal to 100 tons or the capacity of a specific model of chiller is equal to 200 tons. The word "ton" in the cooling tower and chiller means the same cooling capacity of the device in cooling water. The word body in this engineering term is abbreviated to "refrigeration body" or "cold body". Cooling is one of the heat transfer units and a measure of the power of refrigeration devices. The refrigeration ton thermodynamic unit (RT) is equivalent to units such as KW and BTU / H. Each ton of refrigerant is equal to 3.51 kW and is equivalent to 12,000 BTU per hour.


What is the use of a cooling tower?

1- In order to cool various industrial devices

Most industrial machines, such as furnaces, boilers, and turbines, generate some extra heat in their duty cycle. The function of the industrial cooling tower in the cycle of these machines and equipment is to absorb and dissipate the excess heat generated. Gas turbines in refineries, air compressors in power plants and boilers in industry are among the most important cooling equipment with cooling towers. The task of extracting this thermal energy is the responsibility of the air fluid. The use of other refrigeration machines such as chillers is also common in small and large industries. High costs in energy consumption, difficult maintenance of chillers, has made the industry welcome the cooling tower.

2- To cool the air conditioning chillers of buildings in summer

Most large buildings and towers, offices, banks and shopping malls have central air conditioning (HVAC). Concentration or absorption chillers are used in central cooling systems to cool the indoor air. The heat absorbed from a building area by the chiller increases the temperature of this refrigeration machine. Cooling tower is used in this application under the name of chiller cooling tower with the aim of adjusting the chiller temperature The cooling tower generates cold water and directs it to the condenser, causing the temperature balance of this equipment. It should be noted that only chillers that have a water condenser use a cooling tower in their condenser circuit. Today, most compression chillers and all absorption chillers have a water condenser.


Types of cooling towers

cooling tower

  • Open Circuit Cooling Tower (Wet)

The open cooling tower reduces the water temperature by creating a direct contact exchange surface between air and water. In this cooling tower model, a percentage of water evaporates and enters the inlet air. This causes the surrounding air to become humid or saturated. For this reason, this model is also called the wet cooling tower cooling system The water coming out of the nozzle or sprinkler starts to fall on the packings in contact with the air and the temperature decreases. Wet systems are also called open circuits because the water cycle takes place in an open cycle.

  • Dry closed circuit cooling tower

In this cooling tower model, water is cooled in a completely closed cycle in contact with the dry air of the environment. Hence, this type of refrigeration system is also called dry cooling tower . This type of cooling tower is subject to the noticeable temperature of the installation place (ambient temperature) due to direct contact with the dry air of the environment. Dry or closed cooling tower has heat transfer surfaces such as pipe and fan networks. Water passes through these networks in contact with the air created by the fan or impeller.

  • Hybrid cooling tower (hybrid)

The new generation of evaporative refrigeration equipment, which is a combination of open and closed cooling tower, is called hybrid cooling tower . The main stream of water fluid is passed through the thermal penetration surfaces of the coil by a secondary spray stream. In this contact, heat is transferred by penetration and conduction from the hot water of the coil to the cold water of the spray circuit. The big advantage of this cooling tower model is the reduction of water temperature to close to the humid ambient temperature. At the same time, this refrigeration system does not have any sedimentation and evaporation.


Types of cooling towers based on the type of inlet air flow

  • Opposite flow cooling tower or counter flow

Canterflow cooling tower has air inlet from all sides of the device in the upper part of the pan and the lower part of the packings. The direction of the incoming air flow to the cooling tower is the opposite flow in the opposite direction to the spray water flow from the nozzle. In this model, air enters from the lower louvers and exits from the upper part of the fan oven. The efficiency of this cooling tower model is very suitable for hot and dry environments. They are widely used in cities such as Yazd, Shiraz, Mashhad, Tehran, Arak and Isfahan where the relative humidity is low. Counterflow systems are more efficient than crossover systems. Of course, the use of these systems in humid and humid areas has little efficiency.

  • Cross-flow cooling tower or cross-flow

Cross-flow cooling tower or vertical flow has two main air inlets on both sides. The air entering this section perpendicular to the water flow causes this fluid to cool. Cross-flow cooling tower performs well in humid areas due to fresh air contact throughout the Beijing area. In the northern and southern regions of our beloved country, which due to its proximity to the sea, the humidity of the environment where the cooling tower is installed is high. In such climatic zones, cross-flow or Abara cooling towers are used. Cities such as Ahvaz, Mahshahr, Bushehr, Rasht, Gorgan, etc. are very suitable for using this device. This model was first conceived by the Japanese company Abara. For this reason, such refrigeration systems are also called Abara cooling towers.

برج خنک کننده مرطوب

برج خنک کننده مرطوب

برج خنک کننده مدارباز یا مرطوب

 

همانطور که مستحضر هستید اساس و پایه کارکرد بیشتر انواع برج خنک کننده برپایه انتقال گرمای نهان تبخیر از آب به هوا و در نتیجه ایجاد رطوبت در هوا می باشد. به این مدل از انواع خنک کن صنعتی برج خنک کننده مرطوب (برج خنک کننده مدارباز) گفته می شود.

چرا برج خنک کننده مدارباز را مرطوب نیز می نامیم؟؟

دلیل اصلی نام گذاری این تجهیز با نام برج خنک کننده تر یا مرطوب ایجاد نمودن رطوبت زیاد در هوا (رطوبت 100 درصد) و به عبارتی تبدیل نمودن هوای خشک ورودی به هوای اشباع در خروجی کولینگ تاور می باشد.

برج خنک کننده مرطوب چگونه سبب کاهش دمای آب می شود؟

کولینگ تاور مدارباز یا مرطوب در اصل با ایجاد یک تماس مستقیم (در سطوح خنک کننده) بین آب و هوا سبب تبخیر مقدار اندکی از جریان آب (تقریبا 1 درصد) می گردد و گرمای مورد نیاز جهت تبخیر این میزان آب توسط جریان اصلی آب تامین شده و سبب خنک تر شدن دمای آب جریان اصلی (99 درصد باقی مانده) می گردد.

همانطور که انتظار می رود ، در این مدل برج خنک کن تر انتقال گرما و جرم به صورت همزمان اتفاق می افتد. انتقال حرارت و انرژی گرمایی از طرف جریان آب به جریان هوا صورت می پذیرد و در این انتقال انرژی به واسطه ورود بخارات آب به هوا نوعی انتقال جرم هم صورت می پذیرد. در واقع در یک جمله خلاصه برج خنک کننده مرطوب با انتقال همزمان حرارت و جرم سبب خنک تر شدن آب در طی یک فرآیند باز می گردد. به همین دلیل این مدل خنک کننده را برج خنک کننده مدارباز نیز می نامیم.

رعایت یک نکته مهم: در برج خنک کننده مرطوب به واسطه تبخیر بخشی از جریان آب و هدر رفتن آن ، لازم است به منظور جبران این تبخیر و هدررفت مقدار معینی آب جبرانی به جریان آب در گردش اضافه شود. به همین دلیل این مدل برج های خنک کن بیشتر برای مناطقی مورد کاربرد قرار می گیرد که در تامین این میزان آب جبرانی مشکلی نداشته باشد.

لینک مقاله کمکی: محاسبه آب جبرانی در برج خنک کن

نمای شماتیک کارکرد برج خنک کننده مرطوب


هدف برج خنک کننده مرطوب در واقع خنک کردن آب می باشد.

در بسیاری از محیط های صنعتی از آب برای خنک کردن دستگاه ها و تجهیزاتی که با تولید گرما مواجه هستند (مانند چگالنده ها ، مبدل های گرمایی ، توربین در نیروگاه ها و چیلر در تهویه مطبوع)  استفاده می شود .این سیال پس از خنک نمودن ، بازیابی و به محیط صنعتی برای استفاده مجدد برگشت داده می شود. انجام این عمل با سرد کردن آب گرم در برج خنک کننده مرطوب از طریق تماس با جریانی از هوای اشباع  نشده حاصل می شود که منجر به تبخیر درصدی از آب و انتقال گرمای محسوس و همچنین گرمای نهان تبخیر از آب به هوا و در نتیجه خنک شدن آب (در شرایط ادیاباتیک) می شود.

روند خنک سازی در برج خنک کننده مرطوب به این شکل صورت می گیرد که جریان آب با درجه حرارتی بالا (آب گرم) پس از ورود و عبور از قسمت پکینگها یا سطوح خنک کننده در تماس با جریان هوای تازه محیط بیرون قرار گرفته و خنک شده و در قسمت تشتک یا مخزن ذخیره آب خنک انباشته می شود( جریان هوای ورودی به برج خنک کن می تواند هوای طبیعی وارد شده از طریق لوورها باشد یا جریان هوای القایی ایجاد شده توسط فن یا پروانه باشد)

در چرخه گردش سیالات در برج خنک کننده مرطوب آب حاوی گرما در معرض تماس مستقیم جریان هوا قرار می گیرد و در تماس قرار گرفتن آب و هوا ، به دو دلیل دمای آب شروع به کاهش می نماید.

  • 1) انتقال گرمای مستقیم از آب به هوای بیرون به دلیل اختلاف دمای آب گرم ورودی و هوای خشک محیط بیرون (گرمای محسوس)

  • 2) انتقال گرمای غیر مستقیم به دلیل تبخیر بخشی از جریان آب و در نتیجه صرف شدن گرمای آب برای تامین انرژی لازم جهت تبخیر (گرمای نهان تبخیر)

 


پارامترهای تاثیرگذار بر عملکرد بهتر برج خنک کننده مرطوب

  • پاشش اسپری و پودری جریان آب در خروجی افشانک ها یا نازل (آب پخش کن)

  • سطوح وسیع خنک کننده (Cross Sectional Area)

  • میزان هوادهی یا فلوحجمی جریان هوای القایی ایجاد شده توسط فن مکنده یا دمنده (Air Flow)

  • عدم رسوب پذیری تجهیزات داخلی به مرور زمان در اثر تبخیر دائمی جریان آب در بخشهایی مثل نازل، پکینگ، آب پخش کن

  • چرخش روان پروانه برج خنک کننده و بالانس بودن همزمان استاتیکی و دینامیکی فن


کاربرد برج خنک کننده مرطوب

برج خنک کننده مرطوب که به عنوان یکی از پرکاربردترین منابع سرمایشی و خنک سازی آب محسوب می شود به عنوان یک مولفه مهم در بسیاری از فرآیندهای صنعتی و تجاری مورد استفاده قرار می گیرد. در واقع در بیان کاربرد برج خنک کننده مرطوب می توان به دو مورد اساسی اشاره نمود.

برج خنک کننده چیلر: خنک کردن مدار کندانسور چیلر

برج خنک کننده صنعتی: خنک کردن آب در حال گردش در صنعت همانند پالایشگاه نفت ، پتروشیمی ، ذوب و نورد فلزات در کوره های القایی و نیروگاه های هسته ای


مزایای برج خنک کننده مرطوب

برج خنک کننده مرطوب

  • صرفه اقتصادی مناسب در مقایسه با انواع کولینگ تاور مداربسته و هیبریدی

  • عدم اسیب رسانی به محیط زیست به لحاظ ایجاد آلاینده های زیست تخریب پذیر

  • راندمان بسیار بالا به دلیل ایجاد سطح تبادل حرارت مستقیم بین آب و هوا

  • سبک تر بودن و قابلیت جابجایی در انواع برج خنک کننده فایبرگلاس

  • کاهش دمای آب سرد خروجی تا نزدیکی دمای مرطوب محیط

  • مدت زمان تولید بسیار کم تر برج خنک کننده مرطوب نسبت به انواع هیبریدی و خشک

  • هزینه پایین تعمیر و نگهداری به دلیل پایین بودن قیمت تجهیزات جانبی نسبت به برج خنک کننده خشک و هیبریدی

  • قابلیت تعمیر و نگهداری آسان

  • قابلیت مونتاژ در محل و در ابعاد بسیار بزرگ

  • ایجاد قابلیت مونتاژ و تولید به صورت چندسلولی و در نتیجه کنترل مصرف انرژی


روند سیر تکاملی در برج خنک کننده مرطوب

در ابتدا نگاهی به سیر روندی برج خنک کننده مرطوب می اندازیم .

استفاده از برج خنک کننده با جریان طبیعی در اروپا و در کشور آلمان شروع شد. احداث این برج خنک کننده مرطوب در ابتدا با چوب بود و در طی گذر زمان با چوب و فلز به ساخت آن مبادرت گردید. در نوع جدید برج خنک کننده مرطوب با بتن مسلح درست می شود . شکل فیزیکی این نوع برج خنک کننده نیز تغییراتی را پشت سر گذاشت . نخست به صورت استوانه احداث می گردید و بعدها به حالت دو مخطروط قطع خورده روی هم بنا می شد. شکل جدید آن هیپربولیک است که به برج خنک کننده مرطوب استحکام خوبی می دهد و با جریان طبیعی هوا در عبور از پوسته برج سازگاری بهتری دارد. طرح نو این برج مصالح کمتری نیاز دارد چون به حجم کمتری نیاز دارد.


انواع برج خنک کننده مرطوب

  1. برج خنک کننده مرطوب جریان مخالف

  2. برج خنک کننده مرطوب جریان متقاطع

  3. برج خنک کننده مرطوب مکعبی

  4. برج خنک کننده مرطوب مخروطی

انواع برج خنک کننده مرطوب

1-1) برج خنک کننده مرطوب جریان مخالف

چنانچه در برج خنک کننده مرطوب پاشش آب تحت یک جریان مخالف (غیرهمسو) با جریان هوا صورت پذیرد ، خنک کن از نوع کانترفلو یا جریان مخالف(Counter Flow Cooling tower) می باشد. برج خنک کننده جریان مخالف عموماً از قسمت پایین و از هر چهار طرف دارای ورودی جریان هوای خشک به داخل می باشد. برج خنک کننده مرطوب جریان مخالف به دلیل مکش هوا و تماس هوا با آب در لایه های مختلف پکینگ مدیا بسیار راندمان بالایی دارد. عملا این مدل از خنک کننده های صنعتی برای محیط هایی با رطوبت نسبی پایین و متوسط پیشنهاد می شود .

برج خنک کننده جریان مخالف قالباً در مناطق خشک و با رطوبت نسبی پایین مورد کاربرد قرار می گیرد. این تجهیز در مناطق خشک راندمان بسیار بالاتری نسبت به انواع دیگر کولینگ تاور خواهد داشت. در مناطق خشک و گرمسیری به دلیل اختلاف زیاد بین دمای خشک و دمای مرطوب محیط ، جریان آب در مراحل مختلف (لایه های پکینگ) با کاهش دما روبرو می شود و در هر لایه از پکینگ یا سطوح خنک کن میزان معینی کاهش دما خواهد داشت. به عبارتی دیگر در یک برج خنک کن مرطوب جریان مخالف جریان آب در فاکتور ارتفاع (HTU) و تعداد لایه های زیاد سطوح خنک کننده در تماس با جریان هوا قرار می گیرد و به صورت پلکانی دچار کاهش دما می شود.

1-2) برج خنک کننده مرطوب جریان متقاطع

اگر در برج خنک کننده مکش هوا از دو طرف صورت پذیرد و جریان هوای خشک و خنک ورودی کراس(عمود) بر جریان ریزشی آب باشد این تجهیز از نوع کراس فلو یا جریان متقاطع (Cross Flow Cooling Tower) قلمداد می شود. کولینگ تاور جریان متقاطع عمدتاً از دو طرف دارای ورودی هوا (لوور)می باشد. این نوع از خنک کننده مدارباز عموما در تمامی لایه های پکینگ یا سطوح تبادل حرارت به صورت یکنواخت در تماس با هوای خشک ورودی قرار می گیرد.

به دلیل تماس سطحی هوا به صورت یکنواخت با آب برج خنک کننده مرطوب جریان متقاطع بیشتر در مناطقی با رطوبت نسبی بالا (مناطق شرجی) همانند شمال و جنوب کشور مورد استفاده قرار می گیرد. این نوع از خنک کننده در واقع با ایجاد واحدهای سطحی کاهش دما یا NTU در زمینه کاهش دمای آب طراحی می شود. با عبور جریان هوا به صورت یکپارچه از قسمت پکینگ مدیا ، هوای تازه (Fresh Air) با کمترین رطوبت نسبی در تماس با جریان آب قرار می گیرد و در طی این تماس آب با کاهش دما روبرو خواهد شد . پس می توان اینطور استنباط کرد که برج خنک کننده جریان متقاطع دارای ابعاد بزرگتری نسبت به برج خنک کن جریان مخالف می باشد.

واحدهای اصلی در طراحی برج خنک کننده مرطوب از نوع جریان متقاطع در طراحی واحدهای NTU (تعداد واحد های سطحی انتقال حرارت در کولینک تاور )می باشد. این مدل خنک کننده مدارباز همچنین توانایی تولید به صورت مستطیل شکل را دارا می باشد که این موضوع بیانگر جانمایی بهتر برج خنک کن کراس فلو در مقایسه با انواع کانترفلو می باشد. به دلیل کاهش واحد های HTU  در طراحی کولینگ تاور مدارباز با سیستم گردش هوای کراس فلو، ارتفاع نهایی این تجهیز کوچکتر از ارتفاع انواع دیگر برج خنک کن مرطوب می باشد.

برج خنک کننده مرطوب

1-3) برج خنک کننده مکعبی

برج خنک کننده مکعبی (Cubic Cooling Tower) یکی از انواع خنک کن مدارباز با سیستم پاشش آب ثابت می باشد که دلیل نامگذاری این مدل برج خنک کننده به دلیل شکل ظاهری آن(مکعبی شکل) می باشد. سیستم توزیع و پاشش آب در کولینگ‌تاور مکعبی در واقع شامل یک سری نازل ثابت اسپری پاش(Nozzle) یا در اصطلاح افشانک پاشش آب( همانند سردوش حمام) می باشد. آب در خروجی این نازل‌ها به صورت اسپری درآمده و بر روی پکینگ یا سطوح خنک کننده پاشش می کند. سیستم هوادهی برج خنک کننده مکعبی می تواند از نوع فن یا پروانه مکنده و دمنده محوری یا فن سانتریفوژ طراحی گردد. برج خنک کن مرطوب مکعبی عموماً با بدنه فایبرگلاس FRP و گالوانیزه HDGS تولید و عرضه می گردد.

برج خنک کننده تر با استراکچر مکعبی به دلیل ثابت بودن سیستم پاشش آب کاربرد بسیار زیادی نسبت به انواع دیگر کولینگ تاور دارد. کولینگ تاور مدارباز مکعبی به دلیل کاهش بیشتر دمای آب خروجی دارای راندمان بیشتری نسبت به انواع خنک کن مدور دارد. برج خنک کننده با این مشخصات عموما به دلیل عدم استفاده از سیستم دوار پاشش آب تعمیر و نگهداری آسان تری دارد.

این تجهیز به لحاظ پوشش سطح پکینگ توسط آب دارای Void Space یا فضای خالی کمتری می باشد و دلیل اصلی این امر در کولینگ تاور مکعبی وجود نازل مربع پاش در تولید این تجهیز می باشد. نازل مربع پاش یا دک اسپری با همپوشانی لازم در طراحی این تجهیز از ایجاد هرگونه سطح خالی بدون پاشش آب بر روی پوشالهای برج خنک کن جلوگیری می نماید. در واقع برج خنک کننده مرطوب مکعبی به لحاظ طراحی سیستم پاشش آب دارای مزیت های بی شماری نسبت به کولینگ تاور مدور می باشد.

برج خنک کننده مکعبی

1-4) برج خنک کننده مدور

برج خنک کننده مرطوب مخروطی یا مدور(Round Cooling Tower) نیز دارای یک سیستم پاشش آب چرخشی یا دوار (Rotary Water Distrobtion) و دلیل اصلی این نامگذاری نیز به دلیل شکل ظاهری دوار و مخروطی این مدل می باشد. سیستم پاشش این تجهیز قالباً دارای یک آب پخش کن یا اسپرینکلرهد مرکزی (Sprinkler Head) می باشد. آب پخش برج خنک کننده مدور وظیفه توزیع جریان آب بر روی سطوح پکینگ مدیا به صورت دوار و چرخشی را برعهده دارد. سیستم گردش هوای این مدل خنک کننده صنعتی مدور عموماً ازنوع فن محوری (Axial) و بیشتر در نوع مکنده القایی می باشد.

برج خنک کننده مرطوب مخروطی عمدتاً دارای ابعاد سطحی بزرگ تری نسبت به خنک کننده مکعبی می باشد. دلیل ابعاد بزرگتر این تجهیز ایجاد فضاهای خالی زیادی است که توسط خروجی های انشعابات لوله از آب پخش کن حاصل می‌شود. از طرفی به دلیل ایجاد سطح زیاد در کولینگ تاور مدور این نوع برج خنک کننده بیشتر در فضاهایی با محدودیت ارتفاع مورد کاربرد قرار می گیرد. ظرفیت های بالاتر از 150 تن تبرید اکثراً به صورت مونتاژ در محل تولید و طراحی می گردد. بخش المیناتور یا قطره گیر نیز عملکرد ضعیف تری نسبت به قطره‌گیر لانه زنبوری برج خنک کننده مکعبی دارد. دلیل عملکرد ضعیف المیناتور مدور عدم پوشش سطح بالایی خروجی آب پخش کن در برج خنک کن استوانه ای می باشد.