برج خنک کن cooling tower

[tower2010 696]

مشكلات عملياتي برج هاي خنك كننده

عمده ترين مشكلات سيستم هاي سردكننده عبارتند از:

 

1. خوردگي
   
2. رسوب گذاري كه از مهمترين آنها مي توان رسوبات ميكروبيولوژي را نام برد.
   
3. كف كردن
   

خوردگي

خوردگي در سيستم هاي سردكننده و انتقال آب مهمترين و عمده ترين مشكل مي باشد . عوامل اصلي در خورده شدن فلزات مخصوصاً فلزات سري آهن در سيستم سردكننده عبارتند از:

 

• كيفيت آب: بالا رفتن غلظتهاي نمك محلول در آب، خوردگي را شدت مي بخشد، زيرا زياد بودن غلظت مواد در آب غلظت يوني را افزايش مي دهد كه نتيجه آن بالا رفتن فعل و انفعالات يوني و احتمالاً تشكيل نمكهاي خورنده از طريق جابجايي نمك هاي محلول مي باشد. از نمك هاي محلول در آب، كلرورها بيشترين سهم را در افزايش ميزان خورندگي دارند.
  
• اثر حرارت: با افزايش درجه حرارت، خوردگي افزايش مي يابد.
  
• اكسيژن محلول در آب: به فلز آهن حمله ور شده، سبب خوردگي و سوراخ شدن آن مي شود. منبع اصلي آن، اكسيژن محلول در آب در تماس با هواست.
  
• ميكروارگانيسم ها: باكتري هاي احياءكننده سولفات با توليد هيدروژن سولفوره و اسيدسولفوريك خوردگي را در سيستم سبب خواهند شد.
  

جلوگيري از خوردگي

به طور كلي در سيستمي كه با آب سر و كار دارد، محافظت فلزات و آلياژها به طوركامل در برابر خوردگي غيرممكن است. هدف از كنترل خوردگي، رسيدن به حد قابل قبول از طريق طراحي درست، انتخاب فلزات و آلياژهاي مناسب و همچنين بهسازي آب و تركيبات شيميايي متناسب با شرايط سيستم و كيفيت آب است. عده اي معتقدند براي رسانيدن خوردگي به حداقل بايستي طراحي خوب انجام شود و فلزات و آلياژهاي مناسب انتخاب گردد، اما با توجه به مسائل اقتصادي و امكانات، اكثريت كارشناسان و مهندسين آب و خوردگي معتقد مي باشند تنها راه رسانيدن خوردگي به حد قابل قبول استفاده از مواد شيميايي مي باشد.

رسوب

منابع ايجاد رسوب

 

1. منابع داخلي: يكي از اساسي ترين منابع توليد رسوب كيفيت خود آب است كه علاوه بر مواد محلول در آب ممكن است داراي مواد معلقي همچون تركيبات سيليسي، آهن محلول يا رسوب، منگنز يا موادي كه درنتيجه صاف كردن آب به آن اضافه شده است باشد.
   
2. منابع خارجي: مهمترين عامل خارجي ايجاد رسوب در يك سيستم سردكننده، مخصوصاً سردكننده مدارباز، هوا مي باشد. برج خنك كن مانند يك مكنده بزرگ هواست و آب وسيله مناسبي براي جذب گرد وخاك، ميكروارگانيسم ها و ساير ذرات است كه در حجم بسيار بزرگ در مجاورت آب قرار دارند و چون مواد معلق در هوا بر حسب شرايط جوي و فصول مختلف تغيير مي كند، مواد معلق در برج نيز هميشه در حال تغييراست.
   

انواع رسوب

براي جلوگيري از ايجاد رسوب در سيستم بايد نخست آنها را شناخت تا بتوان به نحو موثر با آنها مبارزه كرد. رسوب ها، مخلوطي از گردوخاك، آلودگي هاي آب، روغن، ميكروارگانيسم ها و محصولات خوردگي مي باشند. عوامل مؤثر تشكيل دهنده آنها عبارتند از :

 

• آلودگي هاي آب تأميني
  
• مواد جامد معلق در آب
  
• آهن، منيزيم و آلوميناي موجود در آب
  
• آلودگي هاي فرايند
  
• سرعت جريان، درجه حرارت وph آب
  

بطوركلي با توجه به كيفيت و منابع تأمين آب و درنظر گرفتن مسائل اقتصادي، تشكيل رسوب را با اتخاذ يك يا دو روش توأم زير به حداقل مي رسانند:

 

1. حذف مواد مولد رسوب از آب
   
2. اصلاح آب به منظور جلوگيري از نشست يا چسبيدن مواد به سطوح فلزي
   

ميكروارگانيسم ها

تقريباً مي توان گفت تمام صنايعي كه با آب سروكار دارند، ميكروارگانيسم ها در آن صنايع اثر مي گذارند، زيرا تعداد زيادي از فعل و انفعالات شيميايي بوسيله ميكروارگانيسم ها انجام مي شود.

در پاره اي از صنايع مثل صنايع غذايي، دستگاه هاي سردكننده كارخانجات صنايع شيميايي، ميكروارگانيسم ها، ضررهاي زيادي را ايجاد مي كنند و حتي ممكن است مسير توليد را تغيير دهند. تابش مستقيم نور خورشيد به برج هاي خنك كننده، وجود حرارت مناسب وغذا كه ممكن است در نتيجه نشت از مسير توليدات كارخانه به برج وارد شود، فراواني اكسيژن در نتيجه ريزش و تلاطم آب در سيستم مداري باز محيط خوبي براي رشد و تكثير ميكروارگانيسم ها مي باشد.

كنترل ميكروارگانيسم ها در برج هاي خنك كننده

از نظر عملي در بيشتر سيستم هاي آب صنعتي در استفاده از طرق فيزيكي براي نابودي و كنترل فعاليت ميكروارگانيسم ها محدوديت زيادي وجود دارد. مثلاً حرارت دادن آب تا 70 درجه ممكن است بسياري از ميكروارگانيسم ها را از بين ببرد اما منظور اصلي استفاده از برج، خنك كردن آب و استفاده از آن در مبدل ها و يا مراكز ديگر كارخانه مي باشد. تشعشع، مثل اشعه گاما يا اشعه ايكس و يا حتي فركانس هاي خاصي از صوت مي تواند از فعاليت ميكروارگانيسم ها جلوگيري كرده، آنها را بكشد. اما اين نوع كنترل متضمن هزينه بسيار و تجربيات عملي زياد مي باشد. از روش هاي شيميايي نيز كه مي توانند كنترلي در برابر موجودات زنده موجود در آب برج باشد ph است كه اكثريت ميكروارگانيسم ها قادر به ادامه زندگي، رشد و تكثير در محدوده هاي خاصي از ph نمي باشند اما اين ph هاي اسيدي يا قليايي نيز مسائل عمده اي را در برج بوجود خواهد آورد . بنابراين تنها راه مبارزه و كنترل ميكروارگانيسم استفاده از تركيبات و ميكروب كش هاي شيميايي مي باشد.

معمولي ترين تركيباتي كه براي كنترل ميكروارگانيسم برج هاي خنك كن مصرف مي شوند، عبار تند از ؛ كلر، برم، فنل كلروينه و نمك هاي مس.

كلر يكي از مؤثرترين مواد براي كنترل ميكروارگانيسم ها در سيستم سردكننده مدار باز مي باشد. تصميم در مورد اينكه در يك برج، كلر يا مواد ديگر مصرف شود بستگي به بررسي اقتصادي، مقدار كلر موردنياز، هزينه محل، كارگر و نصب تجهيزات دارد. در حال حاضر هيچ ماده ميكروب كشي وجود ندارد كه بتواند طيف وسيعي از ميكروارگانيسم هاي موجود در برج هاي خنك كن را از بين ببرد. از اينرو با تجربه و دقت بايستي بر مبناي شرايط عملكرد هر برج، ماده ميكروب كش انتخاب گردد. تنها، توجه به ارزان بودن يك ماده شيميايي و انتخاب آن، نه تنها اقتصادي نيست بلكه ممكن است متضمن ضررهايي نيز باشد . مواد شيميايي بايد به نحوي انتخاب شوند كه در صورت مخلوط شدن و وارد شدن در مسير فرايند خساراتي متوجه آن نسازد.

كف كردن

در پاره اي از برج هاي خنك كننده، توليد كف مي تواند موجب مشكلاتي شود. ريزش آب از بالاي برج و جذب هوا توسط آن، سبب توليد جباب هايي در آب خواهد شد كه همراه مقداري روغن و تركيباتي آلي مشابه مي باشدكه در كل برج پخش خواهد شد. در اغلب موارد ايجاد كف، علاوه بر كاهش ظرفيت حوضچه برج از طريق انسداد لوله هاي انتقال آب خساراتي را متوجه پمپ ها خواهد نمود. يكي از عواملي كه سبب ايجاد كف در برج خواهد شد، مواد تثبيت كننده اي مي باشد كه به چوب برج ها براي محافظت آنها تزريق مي گردند . اين پديده غالباً بعد از چند هفته كار برج مرتفع خواهدگرديد. يادآوري مي كنيم كه يكي از مهمترين اجسامي كه براي ايجاد سطح تماس بين آب و هوا در برج هاي خنك كننده از آن استفاده مي شود الوارهاي چوبي است. براي بهبود شرايط سيستم بايد از ضد كف هاي مناسبي استفاده نمود.

[tower2010 696]

برج خنك كن طبيعي (Natural Cooling Tower)

 

اين نوع برج ها، ساختمان هايي هستند، قائم (با ارتفاع نسبتاً زياد) به صورت استوانه اي، مخروط ناقص كه از پوسته هاي فلزي يا بتني و با سطح جانبي مسدود تشكيل شده اند، كه بر روي تعدادي ستون قائم يا مورب با بلندي نسبتاً زياد (تا حدود 20 متر) قراردارند. اساس كار اين برج ها عبارت است از استفاده از قانون فيزيكي حاكم در دودكش ها، يعني جريان يافتن هوا از ناحيه پرفشار به ناحيه كم فشار.

استفاده از برج هاي خنك كن طبيعي نسبت به نوع مكانيكي، داراي مزاياي زير مي باشد:

 

1. هزينه كم بهره برداري؛ زيرا نياز به انرژي خاص نداشته و براي بهره برداري از آن نيازي به نصب، تعميرو نگهداري خاصي نيست.
   
2. هميشه آماده بهره برداري است و احتياج به متوقف كردن و تعميرات دوره اي ندارد.
   
3. براي ظرفيت هاي بسيار زياد سرمايش، مناسب است.
   

در اين قسمت مكانيزم كار اين نوع به طور مختصر شرح داده مي شود:

آب گرم از قسمتهاي پايين اين برج ها، به جريان درآمده و مقداري از گرماي آن به هواي مجاور منتقل شده، باعث گرم شدن و درنتيجه سبك شدن هوا مي گردد. هواي گرم شده در اثر سبكي وزن به ارتفاعات بالاتر در داخل برج منتقل مي شود و به اين ترتيب هواي سبك در ارتفاعات بالا و هواي سنگين در ارتفاعات پايين قرار مي گيرد كه عامل جريان يافتن هوا از پايين به بالاست. براي آنكه هواي سردي كه در ارتفاعات پايين و در سطح زمين، در اطراف برج وجود دارد، بتواند در اين جريان هوايي شركت نمايد، قسمتهاي پايين ساختمان برج در سطح جانبي باز است و دراين قسمت فقط ستونهاي برج قرار دارند. در زير تصاويري از اين نوع برجها آورده شده است.

شكل 1 - تصويري از Cooling towerهاي طبيعي مورد استفاده در صنعت

[tower2010 696]

 

شكل 2 - تصويري از Cooling tower هاي طبيعي مورد استفاده در صنعت

 

 

شكل 3 - تصوير بالا داخل يك Cooling tower طبيعي را نشان مي دهد.

 

ميزان جريان هواي برقرار شده در سيستم فوق از يك طرف به اختلاف فشار در بالا و پايين برج و از طرف ديگر به سطح مقطع ورودي برج بستگي دارد و براي ايجاد اختلاف فشار در بالا و پايين برج بايستي ارتفاع آن را به نسبت تغيير داد و براي ازدياد سطح مقطع برج بايستي قطر پايه را اضافه نمود. به اين ترتيب با تغيير دادن دو پارامتر فوق مي توان ظرفيت سرمايشي برج را متناسب با نياز كارخانه افزاش يا كاهش داد.

بطوركلي با افزايش ارتفاع و قطر پايه برج خنك كن طبيعي كارايي آن بالا مي رود و ظرفيت سرمايشي آن افزايش مي يابد.

نسبت افزايش قيمت ساخت برج به مراتب كمتر از افزايش راندمان برج است و به همين جهت امروزه ساخت برج هاي عظيم بسيار اقتصادي تر از نوع كوچك آن مي باشد.

[tower2010 696]

برج خنك كن طبيعي مدار بسته (خشك) (Natural Cooling tower with closed Circuit - Dry)

 

 

 

چنانچه آب گرم در سيستم بسته اي مانند رادياتور، در معرض برخورد با هواي جاري در برج قرار گيرد، پس از طي طول سيستم مبدل حرارتي از گرماي آن كاسته شده و مي توان از آن براي سرمايش ماشينهاي كارخانه استفاده نمود. از آنجا كه در اين نوع، آب در سيستم بسته قرار دارد و تماس مستقيم بين آب گرم و هوا وجود ندارد، امكان تبخيرشدن و خروج از سيستم را نداشته و نياز به جايگزيني آب اضافي (Make up) نخواهد بود. اين نوع برج به نوع خشك يا بسته موسوم است. از مزاياي ديگر اين نوع آن است كه غلظت آب موجود در مدار بسته سيستم نيز ثابت خواهد بود.

محاسن و معايب برج خنك كن طبيعي خشك نسبت به نوع تر (مدار باز) را مي توان به صورت زير خلاصه نمود:

الف) محاسن:

 

• آزادي عمل در انتخاب محل كارخانه بدون توجه به منابع آب منطقه
  
• به علت خشك بودن نسبي هواي داخل و خارج برج، مي توان بدون بيم از مسأله خوردگي از اسكلت فلزي براي برج استفاده نمود.
  
• نياز به آب اضافي براي جايگزيني تبخير يا پايين آوردن غلظت مواد محلول در آب ندارد كه خود نوعي صرفه جويي در هزينه است.
  
• ستون بخار بر بالاي آن تشكيل نمي شود.
  

ب) معايب

 

• نياز به مبدل هاي حرارتي دارد.
  
• در ابعاد مساوي با نوع تر، داراي قدرت سرمايشي كمتري است.
  

[tower2010 696]

برج خنك كن طبيعي مدار باز (تر) (Natural cooling tower open circuit - Wet)

 

 

 

در اين برج ها، آب گرم توسط يك شبكه توزيع و پخش، در يك مدار باز، در تماس مستقيم با هواي جريان يافته در برج قرار مي گيرد تاگرماي آن به هوا منتقل گردد. در اين سيستم، ا نتقال گرما از آب به هو ا از طريق جابجايي و تبخير صورت مي گيرد.

در سيستم فوق، به علت تماس مستقيم آب گرم با هوا، معمولاً 0/3 تا 1 درصد آب در گردش به صورت بخار از آب جدا شده و با هوا مخلوط مي گردد كه غالباً باعث اشباع شدن هواي خروجي از برج مي گر دد. اين پديده در روزهاي سرد به صورت ابر سفيدي كه از دهانه برج خارج مي گردد نمايان است.

[tower2010 696]

برج خنك كننده طبيعي مختلط (complex natural Cooling tower)

 

 

 

اين نوع برج، اختلاطي از دو نوع سيستم تر و خشك (مدار باز و بسته) است. با امتزاج اين دو سيستم در ابتدا هواي جريان يافته مقداري از گرماي آب را گرفته و گرم مي شود، به اين ترتيب از اشباع شدن هوا توسط بخار آب و مشكلات ناشي از آن پيشگيري مي شود و اين هواي نسبتاً گرم به صورت مستقيم با آب تماس يافته، آن را خنك مي كند.

[tower2010 696]

برج خنك كن مكانيكي (Mechanical Cooling Tower)

 

برج هاي خنك كن طبيعي براي به جريان انداختن هوا، نياز به ساختمان بلندي دارند . حال چنانچه در اثر محدوديت هاي خاص ساخت ساختمان بلند مقدور نباشد و يا آنكه براي ظرفيت موردنياز ساخت برج طبيعي بيش از نياز باشد، استفاده از برج هاي خنك كن مكانيكي اجتناب ناپذيرخواهد بود. در اين برج ها، كمبود ارتفاع را بايستي به نحوي جبران نمود و آن عبارت است از راندن هوا به داخل برج و يا خارج كردن هوا از آن. در زير به برج هايي با مكانيزم هاي گفته شده، اشاره مي شود.

[tower2010 696]

برج خنك كن مكنده (Induced Draft Cooling Tower)

 

در قسمت بالاي آن يك مكنده وجود دارد كه با ايجاد نيروي مكش، هوا را از طريق بادگيرها وارد برج مي كند، هواي وارد شده پس ازتبادل حرارت با آب گرم برگشتي، از خروجي مكنده خارج مي شود . برحسب اينكه هواي ورودي عمود بر جريان آب يا اينكه موازي و در خلاف جهت جريان باشد دو نوع برج خنك كن مكنده اي ساخته شده است.

 

 

 

 

شكل 4 - طرز كار برجهاي خنك كن مكنده

 

در شكل 4 WATER INLET آب گرم ورودي به برج خنك كننده است كه به وسيله آب پاشها بر روي بستر خاصي ريخته مي شود و AIR INLET هم كه در قسمت پايين تصوير نشان داده شده است ورودي هواي برج را نشان مي دهد.

 

 

 

 

شكل 5 – تصويري از Cooling tower هاي مكنده را نشان مي دهد.

 

 

 

شكل 6 – تصاويري از Cooling tower هاي دمنده را نشان مي دهد

 

[tower2010 696]

برج خنك كن دمنده (Forced Draft Cooling Tower)

 

برج خنك كننده دمنده تقريباً شبيه برج خنك كن مكنده است. البته بين اين دو برج تفاوت هايي نيز وجود دارد كه در زير آمده است.

 

• اطراف برج خنك كن دمنده ، بسته ولي اطراف برج خنك كننده مكنده باز است.
  
• در برج خنك كن دمنده تخته هاي بازيابي آب در بالاي توزيع كننده قرار دارد ولي در برج خنك كن مكنده به ازاي هر رديف از تخته هاي پخش كننده، يك رديف تخته بازيابي وجود دارد.
  
• دمنده در پايين برج قرار دارد ولي مكنده در بالاي برج قرار دارد.
  
• در برج مكنده هوا از تمام جهات و بطور يكنواخت با آب تماس حاصل مي كند ولي در برج دمنده،اين طور نيست.
  
• 
  

 

شكل 7- تصويري از برج خنك كن نوع دمنده