برج خنک کننده مدار بسته

برج خنک‌کن مدار بسته | طراحی فنی، اصول عملکرد و کاربرد صنعتی

مقدمه
در بسیاری از صنایع و پروژه‌های بزرگ تهویه مطبوع و تبرید (chillers، فرایندهای صنعتی، نیروگاه‌ها، کارخانه‌های مواد شیمیایی)، دفع حرارت کارآمد یکی از چالش‌های کلیدی است. برج خنک‌کن مدار بسته (Closed‑Circuit Cooling Tower) با عملکردی که مدار مایع فرایندی را از تماس مستقیم با هوا جدا می‌کند، یک راه‌حل پیشرفته‌ای است که مزایای قابل توجهی دارد: کاهش آلودگی، کاهش هزینه آب، محافظت از مبدل‌ها در برابر رسوب و خوردگی، و کارایی بهتر در شرایط محیطی دشوار.

تعاریف و اصول عملکرد
برج خنک‌کن مدار بسته مدلی از برج‌های خنک‌کن تبخیری است که در آن مایع فرایندی (آب یا مایعی که باید خنک شود) در داخل لوله‌های مبدل جریان دارد. این لوله‌ها به کمک نازل‌ها، اسپری آب، یا رسانه (fill) و تماس غیرمستقیم با هوا حرارت را دفع می‌کنند. آب اسپری شده روی مبدل، یا آب معلق در مدار خارجی، با هوا تماس دارد و مقداری از آن تبخیر می‌شود—این تبخیر سبب خنک شدن آب اسپری شده و کاهش دمای مبدل می‌شود. مایع فرایندی هرگز مستقیماً با هوای بیرون تماس ندارد، پس آلودگی، ذرات معلق، و عوامل خورنده کمتر وارد آن می‌شوند. [1]

انواع متداول جریان هوا و نحوه چیدمان:
– جریان مخالف (Counterflow): هوای ورودی از پایین وارد برج شده و به سمت بالا حرکت می‌کند، در حالی که آب اسپری یا جریان آب روی مبدل از بالا به پایین است. این مدل معمولاً توان برودتی بیشتری دارد و Approach (اختلاف دمای خروجی مایع فرایندی با دمای مرطوب محیط) کمتری دارد. [1]
– جریان موازی (Parallel Flow): هوا و آب یا اسپری در جهت مشابه پیشروی می‌کنند. معمولاً برای شرایط کوچک‌تر یا وقتی جریان هوای زیاد همراه با اختلاف دما زیاد نیاز است. [2]
– جریان ترکیبی همراه با رسانه (Combined Flow + Fill Media): در برخی برج‌ها، علاوه بر مبدل‌ها، بخش Fill یا فیلم/قطعه پرکننده برای افزایش سطح تبادل حرارت بین آب اسپری و هوا به کار می‌رود. [1]

اجزای فنی و مؤلفه‌های طراحی
برای طراحی برج مدار بسته با کارایی بالا، باید بخش‌های زیر با دقت در نظر گرفته شوند:
1. مبدل یا کویل داخلی (Heat Exchanger Coil)
• جنس تیوب و فین: عموماً مس، استنلس استیل یا ترکیب با سطوح مقاوم در برابر خوردگی.
• طراحی تعداد ردیف‌ها، فاصله فین‌ها، ضخامت دیواره لوله برای تحمل اختلاف دمای آب فرایندی و افت حرارتی.
• نحوه چیدمان کویل: عمودی یا افقی، ترتیب manifoldها و مسیر برگشت مایع فرایندی.
2. رسانه (Fill Media) و اسپری آب (Spray System)
• انتخاب نوع Fill: فیلمی (film fill) یا شکستی (splash fill) با توجه به کیفیت آب، محیط و هزینه نگهداری. [3]
• طراحی نازل‌ها و سیستم اسپری به گونه‌ای که آب به‌صورت یکنواخت روی مبدل پخش شود و نقاط داغ (hot spots) ایجاد نشوند.
• قابلیت کنترل جریان اسپری و احتمال آبیاری در اندازه و فشار متغیر.
3. فن و جریان هوا (Fans & Air Flow System)
• انتخاب بین فن محوری یا سانتریفیوژ بسته به فشار استاتیک، ارتفاع برج و صدای مجاز.
• فن با کنترل دور یا VFD برای صرفه‌جویی در انرژی در شرایط بار پایین یا در حالت standby.
• جریان هوا باید مناسب باشد تا Approach کم شود و تهویه مؤثر انجام گیرد.
4. سیستم مدار خارجی و مدار داخلی
• مدار داخلی مایع فرایندی باید لوله‌ها، شیرها، اتصالات، مانوفولدها و مسیر عبور دقیق داشته باشد.
• مدار خارجی: سیستم پمپ اسپری، مخزن آب اسپری، بازگشت آب، کنترل سطح آب برای جلوگیری از خشک شدن یا overflow.
• کنترل کیفیت آب در مدار خارجی: جلوگیری از رشد زیستی، خوردگی، رسوب و آلودگی که می‌تواند عملکرد مبدل را مختل کند. [4]
5. بدنه، پوشش و سازه نگهداری
• انتخاب بدنه مقاوم در برابر خوردگی (ورق گالوانیزه عمیق، استنلس استیل، FRP) مخصوصاً در محیط‌های مرطوب یا آلوده. [5]
• عایق‌بندی صوتی برای کاهش نویز فن به محیط بیرون یا فضاهای نزدیک.
• طراحی دسترسی جهت نگهداری داخلی، تعویض اسپری، تمیزکاری مبدل و رسانه، تخلیه مخزن و کنترل وضعیت.

محاسبات مهندسی برج مدار بسته
برای تضمین عملکرد مطلوب، محاسبات زیر باید دقیق انجام شوند:
الف) محاسبه بار حرارتی (Heat Rejection Load)
• تعیین مقدار حرارتی که باید دفع شود بر حسب کیلووات یا BTU/hr.
• محاسبه اختلاف دمای مایع فرایندی بین ورودی و خروجی (ΔT_process) و دبی جریان مایع (m)
فرمول ساده:
Q = m × C_p × (T_in – T_out)
که در آن C_p گرمای ویژه مایع است؛ اگر آب باشد تقریباً 4.18 kJ/kg·K.
ب) تعیین دمای مرطوب محیط (Wet Bulb Temperature) و دمای خشک (Dry Bulb)
• دمای مرطوب یکی از مهم‌ترین ورودی‌ها چون تبخیر وابسته به آن است. هیت ریکاوری اثرگذاری‌اش در شرایط دمای مرطوب پایین‌تر بیشتر است. [3]
• دمای مرطوب منطقه باید از داده‌های اقلیمی محلی استخراج شود.
ج) تعیین Range و Approach
• Range = T_hot in – T_cold out (اختلاف دمای ورودی و خروجی مایع فرایندی)
• Approach = T_cold out – T_wet bulb ambient
• طراحی به گونه‌ای که Approach کم باشد تا عملکرد برج نزدیکتر به دمای مرطوب محیط شود که نشان‌دهنده راندمان بالاست.
د) محاسبه افت فشار هوا
• افت فشار مبدل، رسانه، دریچه اسپری، شبکه هوای ورودی (Louvers)
• فشار استاتیک فن باید به اندازه‌ای انتخاب شود که بتواند کل افت‌ها را پوشش دهد.
هـ) مصرف انرژی و آب / هزینه عملیاتی
• محاسبه مصرف برق فن + پمپ اسپری بر اساس ساعات کار و دور فن
• محاسبه تبخیر آب، آب تلف شده به واسطه دِریفت، نیاز به make‑up water
• نگهداری دوره‌ای: تمیزکردن کویل، اسپری، رسانه، و کنترل کیفیت آب

مزایا و کاربردهای برج مدار بسته
• محافظت مدار فرایندی از آلودگی، رسوب و تماس مستقیم با هوا
• کاهش مصرف آب نسبت به برج باز، به دلیل عدم تماس مستقیم و کاهش تبخیر غیر ضروری در مایع فرایندی
• کارایی بالاتر در شرایط آب و هوایی مرطوب یا آب آلوده
• عمر بیشتر مبدل و کاهش هزینه نگهداری
• انعطاف بیشتر در انتخاب مایع فرایندی (آب گزینشی، روغن، مایعات تخصصی)، به خاطر جداسازی مدار فرایندی از هوا

مزایای شرکت گروه دماسازان بهین ویستا در طراحی، تولید و خدمات برج خنک‌کن مدار بسته
• طراحی مهندسی دقیق و سفارشی براساس نیاز پروژه شما: ظرفیت دفع حرارت، اختلاف دمای مایع فرایندی، دمای مرطوب منطقه پروژه و نوع مایع فرایندی بر اساس شرایط پروژه محاسبه می‌شود تا برج انتخاب شده دقیقاً پاسخگوی نیاز باشد.
• انتخاب قطعات با کیفیت بالا و مواد مقاوم: استفاده از کویل با جنس مقاوم در برابر خوردگی، وسایل اسپری با پمپ‌های معتبر، بدنه و سازه مقاوم که در شرایط محیطی سخت دوام بالایی دارد.
• نصب حرفه‌ای و کنترل کیفیت عملکرد: تست دقیق عملکرد دستگاه قبل از تحویل، بررسی افت دما، تست صدای فن و اطمینان از عملکرد نزدیک به طراحی.
• خدمات پس از فروش، گارانتی و پشتیبانی فنی: شرکت ما ضمانت عملکرد، ارائه قطعات یدکی، سرویس دوره‌ای و پشتیبانی فنی برای اطمینان از کارکرد بلندمدت و اقتصادی برج شما فراهم می‌کند.