کولینگ تاور
با توجه به رشد روزافزون صنعت تاسیسات و تهویه مطبوع، شرکت مهتاب گستر اقدام به ارائه انواع دستگاه های صنعتی از جمله کولینگ تاور (برج خنک کن) نموده است.
کولینگ تاور چیست؟
در سیستم هایی که از کندانسور خنک شونده با آب استفاده می کنند، نیاز به تجهیزی می باشد که آب برگشتی از کندانسور را خنک و به دمای مطلوب برساند. این تجهیز کولینگ تاور یا برج خنک کن نام دارد.
گرمای جذب شده توسط مبرد در حال جوش در اواپراتور چیلر از طریق کمپرسور به عنوان گاز داغ به کندانسور پمپ می شود. سپس گاز مبرد داغ به طور غیر مستقیم و از طریق لوله های کندانسور، با آب خنک پمپ شده از کولینگ تاور تماس یافته و گرمای خود را به آن انتقال داده و تبدیل به مبرد مایع می شود. آب کندانسور اکنون حاوی گرمای جذب شده از ساختمان و مقدار گرمای فشرده سازی حاصل از چرخه فشرده سازی در کمپرسور است. سپس آب به کولینگ تاور منتقل می شود. جایی که هوا از میان آب عبور می کند تا گرما آن را جذب نماید.
در سیستم های تبرید تراکمی، کولینگ تاور باید گرمای بیشتری نسبت به چیلر جذبی از سیستم حذف کند. در تبرید تراکمی، اواپراتور توسط مبرد، گرمای مدار آب سرد را جذب می کند. سپس کمپرسور گرمای حاصل از عملیات فشرده سازی را به گاز داغ پمپ شده به کندانسور اضافه می کند.
معمولا کمپرسور حدود ۲۵ درصد گرمای بیشتری به مبرد اضافه می کند. بنابراین کولینگ تاور باید حدود ۲۵ درصد گرمای بیشتری از ظرفیت چیلر را حذف نماید. البته این درصد به نوع کمپرسور مورد استفاده در فرایند خنک سازی بستگی دارد. به عنوان مثال یک چیلر ۱۰۰۰ تنی به یک کولینگ تاور نیاز دارد که بتواند حدود ۱۲۵۰ تن گرما را حذف نماید.
دمای آب ورودی به کندانسور باید در محدوده طراحی سیستم باشد. در غیر این صورت سیستم عملکرد کافی و مناسب را ندارد. دمای طراحی برای آب خروجی از کولینگ تاور برای اکثر سیستم های تبرید، از جمله چیلر جذبی، ۸۵ درجه فارنهایت است. اگر گرمای دمای خشک محیط بیرونی ۹۵ درجه فارنهایت و دمای مرطوب ۷۸ درجه فارنهایت باشد، کولینگ تاور می تواند دمای آب را تا ۷ درجه فارنهایت اختلاف و با دمای مرطوب کاهش دهد. سپس اگر دمای هوای مرطوب ۷۸ درجه فارنهایت باشد، دمای آب خارج شده از کولینگ تاور ۸۵ درجه فارنهایت خواهد بود.
بیشتر برج های خنک کن به روشی مشابه کار می کنند. آن ها با تبخیر باعث کاهش دمای آب در کولینگ تاور می شوند. با انتقال آب به کولینگ تاور، سطح تبادل آب با هوا برای بالا بردن تبخیر افزایش می یابد.
روش های مختلفی که برای افزایش سطح تبادل آب استفاده می شود، بخش اصلی تفاوت برج های خنک کن با یک دیگر می باشند. وقتی آب برای ایجاد سطح تبادل بیشتر پخش می شود، سریع تر تبخیر می شود و اختلاف دمای آب با دمای مرطوب هوا کاهش می یابد. آب را نمی توان زیر دمای مرطوب محیط خنک کرد.
در واقع یک کولینگ تاور می تواند دمای آب را تا دمای مرطوب هوا، کاهش دهد، اما ابعاد این برج نسبت به برج های معمولی بزرگ تر خواهد بود. سازندگان کولینگ تاور هایی را تولید می کنند که برای کاربرد های معمولی دمای آب را تا ۷ درجه فارنهایت به دمای مرطوب نزدیک کند. بعضی کولینگ تاور ها با اختلاف دمای ۵ درجه فارنهایت تولید می شوند، اما به طور معمول برای کاربرد های تهویه مطبوع استفاده و بهره برداری نمی شوند.
روند انتقال حرارت با ریزش یا پاشش آب از طریق کولینگ تاور و تبخیر بخشی از آن صورت می پذیرد. گرمای بخار شدن بخشی از آب از باقی مانده آب تامین می شود. به ازای هر پوند آب که تبخیر می شود، ۹۷۰ Btu حرارت از آب باقی مانده جذب می شود. این میزان حرارت در واقع گرمای نهان تبخیر آب می باشد. اکنون دمای باقی مانده آب کاهش یافته است. تبخیر با جریان آبی که از بین پکینگ های منصوب در کولینگ تاور عبور می کند و آن را به قطرات کوچک تر با سطح تبادل بیشتر تبدیل می کند، حاصل می شود.
همان طور که اشاره شد آب می تواند تا ۷ درجه فارنهایت اختلاف دمای مرطوب هوا خنک شود. در آب و هوای خشک، آب می تواند با اختلاف دمای کم تری خنک شود. این پدیده به دلیل تبخیر بیشتر در دمای مرطوب پایین تر، در این آب و هوای خشک اتفاق می افتد. اختلاف دما بین آب خروجی از کولینگ تاور و دمای مرطوب هوای ورودی به برج خنک کن به عنوان نکته کلیدی طراحی کولینگ تاور عنوان می شود. اختلاف دما بین آب ورودی و خروجی کولینگ تاور را DT می نامند.
محاسبه ظرفیت و انواع کولینگ تاور
ظرفیت کولینگ تاور بر اساس Btu/h را می توان با فرمول زیر محاسبه کرد:
انواع کولینگ تاور
سه نوع کولینگ تاور معمولا مورد استفاده قرار می گیرد، که عبارت است از:
- کولینگ تاور با گردش هوای طبیعی
- کولینگ تاور با گردش هوای اجباری
- کولینگ تاور مدار بسته
توجه: هر چه کولینگ تاور بزرگ تر باشد، با جزئیات بیشتری شناخته می شود.
کولینگ تاور با گردش هوای طبیعی
کولینگ تاور با گردش هوای طبیعی می تواند روی بام ساختمان نصب شود.
کولینگ تاور با گردش هوای طبیعی به باد های غالب متکی هستند و در صورت بیشتر شدن باد، آب را در دمای پایین تر خنک می کنند. برج خنک کن با گردش هوای طبیعی معمولاً به دلیل تکیه بر باد ها، DT نزدیک به ۱۰ درجه فارنهایت را ایجاد می کنند.
باد می تواند آب اسپری را از حوضچه خارج کرده و باعث ایجاد مشکل شود. در سال های اخیر حوضچه های اسپری معمولاً در پشت بام ها نصب شده اند. زیرا سقف را خنک می کنند و بار گرمای خورشیدی را کاهش می دهند. اگر آب کولینگ تاور در پشت بام بتواند تا ۸۵ درجه فارنهایت خنک شود، می تواند راندمان چیلر و تهویه ساختمان را افزایش دهد. حوضچه اسپری و برج خنک کن با گردش هوای طبیعی با استفاده از فشار پمپ آب را به قطرات بسیار ریز و اتمیزه تبدیل کرده و سطح تبادل را افزایش می دهند. نازل های اسپری در مکان های مناسب درون کولینگ تاور قرار می گیرند و مکان اسپری آب را فراهم می کنند. احتمال ایجاد رسوب گرفتگی در نازل‌های اسپری وجود دارد و همواره باید تمیز نگه داشته شوند. اتمیز کردن آب و به پمپ با توان بالا نیاز دارد که ممکن است به دلیل حجم زیاد آب که باید منتقل و اتمیزه شود، مقرون به صرفه نباشد.
کولینگ تاور با گردش هوای اجباری
کولینگ تاور با گردش هوای اجباری از یک فن برای انتقال هوا از طریق برج استفاده می کند. این برج خا که امروزه به دلیل کارایی، اشغال کم فضا نسبت به دیگر برج ها و هزینه های اجباری پایین تر، از اهمیت ویژه ای برخوردار هستند.
در برخی از این کولینگ تاور ها از فن سانتریفیوژ برای جا به جایی هوا استفاده می شود. این گونه برج ها غالباً در مکان هایی نصب و راه اندازی شده اند که جهت خروج هوا نیاز به کانال کشی دارند. فن های سانتریفیوژ می توانند به فشار استاتیک موجود در کانال غلبه کنند. برج هایی که با فن های سانتریفیوژ کار می کنند معمولاً می توانند جمع و جور تر باشند. بنابراین برای برخی از کاربرد ها مطلوب تر هستند. این کولینگ تاور ها تا حدود ۵۰۰ تن ظرفیت دفع حرارت را دارا هستند. کولینگ تاور های بزرگ تر از فن های محوری یا آکسیال استفاده می کنند.
فن های کولینگ تاور هم می توانند با استفاده از تسمه با موتور درگیر شوند و هم ممکن است به وسیله گیربکس با موتور کوپل شوند.
انتخاب بر اساس شرایط نهایی نصب انجام می پذیرد. در فن های تسمه ای باید به طور منظم، تسمه بازدید و در صورت نیاز تعویض شود. فن های دارای گیربکس فقط به روغن کاری نیاز دارند.
کولینگ تاور مدار بسته
کولینگ تاور مدار بسته در سه نوع متفاوت طراحی و ساخته می شود که عبارت است از:
نوع اول، نوع خشک است. در نوع خشک برای خنک کردن آب در گردش از کویل های مجهز به فین استفاده می شود. در این گونه کولینگ تاور ها تنها سیالی که جهت خنک کردن آب استفاده می شود، هوا می باشد. هوا به وسیله فن از بین فین ها گذشته و آب درون کویل را خنک می کند. این گونه کولینگ تاور ها به کویل های بزرگ و فن های قوی تری احتیاج دارند.
نوع دوم، نوع مرطوب است. در نوع مرطوب آب بازگشتی از کندانسور وارد کویل های لوله ای U شکل می شود. آب کولینگ تاور توسط نازل هایی روی این کویل ها پاشیده شده و آب درون آن ها پس از خنک شدن دوباره به کندانسور پمپ می شوند. در این کولینگ تاور ها نیز عملیات خنک سازی توسط تبخیر انجام می شود. این برج های خنک کن دارای یک پمپ مستقیم جهت انتقال آب از کف کولینگ تاور به نازل ها و مجهز به فن می باشند.
نوع سوم، نوع خشک و مرطوب می باشد. این نوع کولینگ تاور، در واقع تلفیقی از دو نوع قبلی می باشد. به دلیل این که از هر دو روش قبلی در ساخت و طراحی این کولینگ تاور استفاده می شود، راندمان آن بسبتا بیشتر و کارایی آن مطلوب تر می باشد. به این گونه برج ها، کولینگ تاور هیبریدی نیز می گویند.
کولینگ تاور
با توجه به رشد روزافزون صنعت تاسیسات و تهویه مطبوع، شرکت مهتاب گستر اقدام به ارائه انواع دستگاه های صنعتی از جمله کولینگ تاور (برج خنک کن) نموده است.
کولینگ تاور چیست؟
در سیستم هایی که از کندانسور خنک شونده با آب استفاده می کنند، نیاز به تجهیزی می باشد که آب برگشتی از کندانسور را خنک و به دمای مطلوب برساند. این تجهیز کولینگ تاور یا برج خنک کن نام دارد.
گرمای جذب شده توسط مبرد در حال جوش در اواپراتور چیلر از طریق کمپرسور به عنوان گاز داغ به کندانسور پمپ می شود. سپس گاز مبرد داغ به طور غیر مستقیم و از طریق لوله های کندانسور، با آب خنک پمپ شده از کولینگ تاور تماس یافته و گرمای خود را به آن انتقال داده و تبدیل به مبرد مایع می شود. آب کندانسور اکنون حاوی گرمای جذب شده از ساختمان و مقدار گرمای فشرده سازی حاصل از چرخه فشرده سازی در کمپرسور است. سپس آب به کولینگ تاور منتقل می شود. جایی که هوا از میان آب عبور می کند تا گرما آن را جذب نماید.
در سیستم های تبرید تراکمی، کولینگ تاور باید گرمای بیشتری نسبت به چیلر جذبی از سیستم حذف کند. در تبرید تراکمی، اواپراتور توسط مبرد، گرمای مدار آب سرد را جذب می کند. سپس کمپرسور گرمای حاصل از عملیات فشرده سازی را به گاز داغ پمپ شده به کندانسور اضافه می کند.
معمولا کمپرسور حدود ۲۵ درصد گرمای بیشتری به مبرد اضافه می کند. بنابراین کولینگ تاور باید حدود ۲۵ درصد گرمای بیشتری از ظرفیت چیلر را حذف نماید. البته این درصد به نوع کمپرسور مورد استفاده در فرایند خنک سازی بستگی دارد. به عنوان مثال یک چیلر ۱۰۰۰ تنی به یک کولینگ تاور نیاز دارد که بتواند حدود ۱۲۵۰ تن گرما را حذف نماید.
دمای آب ورودی به کندانسور باید در محدوده طراحی سیستم باشد. در غیر این صورت سیستم عملکرد کافی و مناسب را ندارد. دمای طراحی برای آب خروجی از کولینگ تاور برای اکثر سیستم های تبرید، از جمله چیلر جذبی، ۸۵ درجه فارنهایت است. اگر گرمای دمای خشک محیط بیرونی ۹۵ درجه فارنهایت و دمای مرطوب ۷۸ درجه فارنهایت باشد، کولینگ تاور می تواند دمای آب را تا ۷ درجه فارنهایت اختلاف و با دمای مرطوب کاهش دهد. سپس اگر دمای هوای مرطوب ۷۸ درجه فارنهایت باشد، دمای آب خارج شده از کولینگ تاور ۸۵ درجه فارنهایت خواهد بود.
بیشتر برج های خنک کن به روشی مشابه کار می کنند. آن ها با تبخیر باعث کاهش دمای آب در کولینگ تاور می شوند. با انتقال آب به کولینگ تاور، سطح تبادل آب با هوا برای بالا بردن تبخیر افزایش می یابد.
روش های مختلفی که برای افزایش سطح تبادل آب استفاده می شود، بخش اصلی تفاوت برج های خنک کن با یک دیگر می باشند. وقتی آب برای ایجاد سطح تبادل بیشتر پخش می شود، سریع تر تبخیر می شود و اختلاف دمای آب با دمای مرطوب هوا کاهش می یابد. آب را نمی توان زیر دمای مرطوب محیط خنک کرد.
در واقع یک کولینگ تاور می تواند دمای آب را تا دمای مرطوب هوا، کاهش دهد، اما ابعاد این برج نسبت به برج های معمولی بزرگ تر خواهد بود. سازندگان کولینگ تاور هایی را تولید می کنند که برای کاربرد های معمولی دمای آب را تا ۷ درجه فارنهایت به دمای مرطوب نزدیک کند. بعضی کولینگ تاور ها با اختلاف دمای ۵ درجه فارنهایت تولید می شوند، اما به طور معمول برای کاربرد های تهویه مطبوع استفاده و بهره برداری نمی شوند.
روند انتقال حرارت با ریزش یا پاشش آب از طریق کولینگ تاور و تبخیر بخشی از آن صورت می پذیرد. گرمای بخار شدن بخشی از آب از باقی مانده آب تامین می شود. به ازای هر پوند آب که تبخیر می شود، ۹۷۰ Btu حرارت از آب باقی مانده جذب می شود. این میزان حرارت در واقع گرمای نهان تبخیر آب می باشد. اکنون دمای باقی مانده آب کاهش یافته است. تبخیر با جریان آبی که از بین پکینگ های منصوب در کولینگ تاور عبور می کند و آن را به قطرات کوچک تر با سطح تبادل بیشتر تبدیل می کند، حاصل می شود.
همان طور که اشاره شد آب می تواند تا ۷ درجه فارنهایت اختلاف دمای مرطوب هوا خنک شود. در آب و هوای خشک، آب می تواند با اختلاف دمای کم تری خنک شود. این پدیده به دلیل تبخیر بیشتر در دمای مرطوب پایین تر، در این آب و هوای خشک اتفاق می افتد. اختلاف دما بین آب خروجی از کولینگ تاور و دمای مرطوب هوای ورودی به برج خنک کن به عنوان نکته کلیدی طراحی کولینگ تاور عنوان می شود. اختلاف دما بین آب ورودی و خروجی کولینگ تاور را DT می نامند.
محاسبه ظرفیت و انواع کولینگ تاور
ظرفیت کولینگ تاور بر اساس Btu/h را می توان با فرمول زیر محاسبه کرد:
انواع کولینگ تاور
سه نوع کولینگ تاور معمولا مورد استفاده قرار می گیرد، که عبارت است از:
- کولینگ تاور با گردش هوای طبیعی
- کولینگ تاور با گردش هوای اجباری
- کولینگ تاور مدار بسته
توجه: هر چه کولینگ تاور بزرگ تر باشد، با جزئیات بیشتری شناخته می شود.
کولینگ تاور با گردش هوای طبیعی
کولینگ تاور با گردش هوای طبیعی می تواند روی بام ساختمان نصب شود.
کولینگ تاور با گردش هوای طبیعی به باد های غالب متکی هستند و در صورت بیشتر شدن باد، آب را در دمای پایین تر خنک می کنند. برج خنک کن با گردش هوای طبیعی معمولاً به دلیل تکیه بر باد ها، DT نزدیک به ۱۰ درجه فارنهایت را ایجاد می کنند.
باد می تواند آب اسپری را از حوضچه خارج کرده و باعث ایجاد مشکل شود. در سال های اخیر حوضچه های اسپری معمولاً در پشت بام ها نصب شده اند. زیرا سقف را خنک می کنند و بار گرمای خورشیدی را کاهش می دهند. اگر آب کولینگ تاور در پشت بام بتواند تا ۸۵ درجه فارنهایت خنک شود، می تواند راندمان چیلر و تهویه ساختمان را افزایش دهد. حوضچه اسپری و برج خنک کن با گردش هوای طبیعی با استفاده از فشار پمپ آب را به قطرات بسیار ریز و اتمیزه تبدیل کرده و سطح تبادل را افزایش می دهند. نازل های اسپری در مکان های مناسب درون کولینگ تاور قرار می گیرند و مکان اسپری آب را فراهم می کنند. احتمال ایجاد رسوب گرفتگی در نازل‌های اسپری وجود دارد و همواره باید تمیز نگه داشته شوند. اتمیز کردن آب و به پمپ با توان بالا نیاز دارد که ممکن است به دلیل حجم زیاد آب که باید منتقل و اتمیزه شود، مقرون به صرفه نباشد.
کولینگ تاور با گردش هوای اجباری
کولینگ تاور با گردش هوای اجباری از یک فن برای انتقال هوا از طریق برج استفاده می کند. این برج خا که امروزه به دلیل کارایی، اشغال کم فضا نسبت به دیگر برج ها و هزینه های اجباری پایین تر، از اهمیت ویژه ای برخوردار هستند.
در برخی از این کولینگ تاور ها از فن سانتریفیوژ برای جا به جایی هوا استفاده می شود. این گونه برج ها غالباً در مکان هایی نصب و راه اندازی شده اند که جهت خروج هوا نیاز به کانال کشی دارند. فن های سانتریفیوژ می توانند به فشار استاتیک موجود در کانال غلبه کنند. برج هایی که با فن های سانتریفیوژ کار می کنند معمولاً می توانند جمع و جور تر باشند. بنابراین برای برخی از کاربرد ها مطلوب تر هستند. این کولینگ تاور ها تا حدود ۵۰۰ تن ظرفیت دفع حرارت را دارا هستند. کولینگ تاور های بزرگ تر از فن های محوری یا آکسیال استفاده می کنند.
فن های کولینگ تاور هم می توانند با استفاده از تسمه با موتور درگیر شوند و هم ممکن است به وسیله گیربکس با موتور کوپل شوند.
انتخاب بر اساس شرایط نهایی نصب انجام می پذیرد. در فن های تسمه ای باید به طور منظم، تسمه بازدید و در صورت نیاز تعویض شود. فن های دارای گیربکس فقط به روغن کاری نیاز دارند.
کولینگ تاور مدار بسته
کولینگ تاور مدار بسته در سه نوع متفاوت طراحی و ساخته می شود که عبارت است از:
نوع اول، نوع خشک است. در نوع خشک برای خنک کردن آب در گردش از کویل های مجهز به فین استفاده می شود. در این گونه کولینگ تاور ها تنها سیالی که جهت خنک کردن آب استفاده می شود، هوا می باشد. هوا به وسیله فن از بین فین ها گذشته و آب درون کویل را خنک می کند. این گونه کولینگ تاور ها به کویل های بزرگ و فن های قوی تری احتیاج دارند.
نوع دوم، نوع مرطوب است. در نوع مرطوب آب بازگشتی از کندانسور وارد کویل های لوله ای U شکل می شود. آب کولینگ تاور توسط نازل هایی روی این کویل ها پاشیده شده و آب درون آن ها پس از خنک شدن دوباره به کندانسور پمپ می شوند. در این کولینگ تاور ها نیز عملیات خنک سازی توسط تبخیر انجام می شود. این برج های خنک کن دارای یک پمپ مستقیم جهت انتقال آب از کف کولینگ تاور به نازل ها و مجهز به فن می باشند.
نوع سوم، نوع خشک و مرطوب می باشد. این نوع کولینگ تاور، در واقع تلفیقی از دو نوع قبلی می باشد. به دلیل این که از هر دو روش قبلی در ساخت و طراحی این کولینگ تاور استفاده می شود، راندمان آن بسبتا بیشتر و کارایی آن مطلوب تر می باشد. به این گونه برج ها، کولینگ تاور هیبریدی نیز می گویند.
سردخانه صنعتی و شرایط احداث آن