فراموشی رمز عبور

برج خنک کننده بسته

معرفی

ویژگی

مزایا

مقایسه

برج خنک‌کننده بسته محصول جدید شرکت معین زیست آریا است که بدون تاثیر پذیرفتن از شرایط آب و هوایی و بدون مصرف آب، امکان کاهش دمای آب خنک ‏کننده صنایع مختلف را فراهم می‏‌کند. در این محصول، آبِ خنک‌‏کننده در یک سیکل بسته جریان داشته و ارتباط مستقیمی با هوا ندارد. بنابراین مشکلات موجود در برج‌‏های خنک‏‌کننده مرطوب که ناشی از ارتباط آب و هوا است، در برج خنک‏‌کننده بسته مطرح نیست. همچنین در برج خنک‌کننده بسته با استفاده از تکنولوژی تراکم بخار، همواره اختلاف دمای مطلوب بین منبع دما بالا (آبِ خنک‌‏کننده) و منبع دما پایین (هوا یا آب دریا) فراهم شده و بنابراین این سامانه حتی در گرم‌ترین روزهای سال نیز می‏‌تواند با حداکثر ظرفیت اسمی خود، آب خنک مورد نیاز صنایع مختلف را تامین کند.

معرفی

ویژگی

مزایا

مقایسه

آب به دلیل دارا بودن ویژگی‌های منحصر به فردی هم‌چون ضریب انتقال گرما و ظرفیت گرمایی بالا، غیر سمی بودن، اشتعال ناپذیری، ارزان و در دسترس بودن از دیرباز به عنوان گزینه اول خنک‌کاری در صنایع مختلف مطرح بوده است. از آب در صنایع نفت و گاز جهت تقطیر سیالات فرایندی، در صنعت فولاد به منظور خنک کاری کوره‌ها و محصولات میانی تولیدشده آهنی و فولادی و در اکثر صنایع دیگر، جهت خنک کاری روغن‌های روانکار استفاده می‏‌شود. در فرایندهای خنک‌کاری یاد شده، گرما از سیالات فرایندی، تجهیزات یا روغن‌های روانکار گرفته شده و به آب منتقل می‌شود؛ بنابراین دمای آب بالا رفته و به منظور استفاده مجدد از آن در سیکل خنک کاری لازم است دمای آن کاهش یابد. با توجه به اینکه فرایندهای یاد شده باید مداوم و بصورت پیوسته انجام گیرد، کاهش دمای آبِ خنک کننده باید از طریق انتقال گرما با منابع نامحدود دما پایین صورت گیرد. این منابع شامل هوا و آب دریاها، رودخانه‌ها و دریاچه‌ها است و بسته به نوع منبع دما پایین، انتقال گرما در برج‌های خنک‌کننده مرطوب، خشک یا مبدل‌های گرمایی انجام می‏‌گیرد. از هر کدام از روش‌های یاد شده جهت کاهش دمای کولینگ تنها در شرایطی می‌توان استفاده کرد که دمای آب خنک خروجی از سامانه خنک‌کننده چند درجه بیشتر از دمای منبع دما پایین باشد. بنابراین عملکرد سامانه‌های خنک‌کننده یاد شده مستقیما تابعی از دمای هوا یا آب دریا بوده و در روزهای گرم سال، ظرفیت خنک کاری کاهش می‌یابد. به منظور غلبه بر این محدودیت، باید به کمک مصرف انرژی گرمایی یا الکتریکی، اختلاف دمای مطلوب بین منبع دما بالا (آب خنک‌کننده) و منبع دما پایین (هوا یا آب دریا) را ایجاد کرد. در واقع برخلاف سیکل‌های خنک‌کننده معمول که تنها دارای یک سطح فشاری هستند، نیاز به ایجاد سطح فشار دیگری است که دمای اشباع متناظر آن، به میزان مطلوب، بیشتر از دمای هوا یا آب دریا باشد. بنابراین در اینگونه موارد به جای استفاده از سیکل‌های خنک‌کننده معمولی، نیاز به استفاده از یک سیکل سردساز است. در سیکل‌های سردساز ایجاد سطح فشاری بالاتر با استفاده از کمپرسور صورت می‌گیرد.
برج خنک کن بسته به عنوان محصول جدید شرکت معین زیست آریا، در واقع طرحی ابتکاری از یک سیکل سرد ساز بوده که در آن از آبِ خنک‌کننده، هم به عنوان مبرد و هم به عنوان سیال دما بالا استفاده می‌شود. سامانه برج خنک‌کننده بسته از چهار بخش اصلي زير تشکيل می‌گردد:
1- آبشار تبخيري
2- سیستم کمپرسور بخار
3- دی‏سوپرهیتر
4- کندانسور بخار

اساس کار این سامانه، استفاده از خاصیت خودجوشی آب در فشارهای کمتر از اتمسفر است. آبِ خنک کنِ بازگشتی از واحد صنعتی وارد مراحل مختلف آبشار تبخیری می‌شود. در هر مرحله از آبشار تبخیری فشار محفظه کمتر از فشار اشباع آب در دمای آب ورودی به آن مرحله تنظیم شده است؛ بنابراین بخشی از آب ورودی به این مرحله تبخیر شده و دمای باقیمانده آب موجود تا دمای اشباع متناظر با فشار، کاهش می‌یابد. به دلیل اختلاف بسیار بالای گرمای نهان تبخیر آب با ظرفیت گرمایی آن، دبی جرمی بخار ایجاد شده بسیار کمتر از دبی آب ورودی به هر مرحله آبشار تبخیری است. بخار آب تولیدی در هر مرحله وارد کمپرسور مخصوص آن مرحله شده و فشار آن افزایش می‌یابد. این افزایش فشار سبب افزایش دمای اشباع بخار شده و شرایط لازم برای تقطیر بخار در کندانسور بخار را فراهم می‌کند. کندانسور بخار بر اساس نوع منبع دما پایین، می‌تواند هواخنک یا آب خنک باشد. بخار آب خروجی از کمپرسور همواره چندین درجه سوپرهیت است. به منظور کاهش سطح انتقال حرارت کندانسور، بخار سوپرهیت پیش از ورود به کندانسور، از تجهیز دی‏سوپرهیتر عبور داده می‌شود و دمای آن تا نزدیکی دمای اشباع کاهش می‌یابد. بخار ورودی به کندانسور در دمای اشباع تقطیر می‌شود. آب کولینگ بازگشتی به واحد صنعتی، حاصل ترکیب آب تقطیر شده در کندانسور و آب خنک شده خروجی از مرحله آخر آبشار تبخیری است.

در سامانه برج خنک‌کننده بسته، آبشار تبخیری به عنوان جزء تبخیر کننده در سیکل سردساز عمل می‌کند. سامانه برج خنک‌کننده بسته شرکت معین زیست آریا بر اساس نیاز مشتری در ظرفیت‌های مختلف قابل طراحی و اجرا است. بنابراین تعداد مراحل آبشار تبخیری بر اساس میزان ظرفیت خنک کاری و ابعاد و ظرفیت دبی حجمی بخار ورودی به کمپرسور تعیین خواهد شد. آبِ در گردش به آبشار تبخیری پمپاژ شده و پس از ورود به آبشار تبخیری مرحله اول، فشار آن کاهش یافته و بر اساس گرانش به پايين جريان مي‌يابد. مقدار مشخصی از آب در فشار و دمای لازم برای تبخیر، با دریافت انرژی از بقیه آبِ در حال گردش تبخیر شده و سبب کاهش دمای آب در گردش می‌شود. بخار ایجاد شده آماده ورود به کمپرسور مرحله اول شده و آب سرد شده به آبشار دوم منتقل می‌شود. در آبشار دوم فشار و دمای آب کاهش یافته و مانند مرحله قبل مقداری از آب بخار شده و مابقی آب سرد می‌شود. بخار ایجاد شده به کمپرسور مرحله دوم انتقال می‌یابد. این اتفاق در مرحله سوم نیز تکرار می‌شود. به علت انجام این فرایند در شرایط خلاء، دما و رطوبت نسبی هوای محیط تاثیری بر تبخیر آب نداشته و این سیستم در دما و رطوبت نسبی بالای هوا نیز به درستی کار می‌کند. نکته حائز اهمیت این است که کاهش دمای آب در مراحل مختلف یکسان نبوده و مرتبا کم می‌شود. دلیل این امر، کاهش شدید چگالی بخار در دماهای اشباع پایین بوده که منجر به افزایش دبی حجمی بخار ورودی به کمپرسور و به تبع آن افزایش ابعاد کمپرسور می‌شود. بنابراین با کمتر شدن تغییر دمای آب در مراحل پایانی، دبی جرمی بخار ایجاد شده در آن مراحل کاهش می‌یابد که با توجه به چگالی کمتر بخار در مراحل آخر نسبت به مراحل اولیه، در مجموع دبی حجمی بخار در تمام مراحل یکسان خواهد بود.

بخار حاصل در هر مرحله آبشار تبخیری پس از عبور از مش، قطرات ريز معلق خود را از دست داده و سپس وارد کمپرسور مرحله خود مي‌گردد. انرژي حاصل از کمپرسور به صورت انرژي حرارتي در بخار ذخيره شده و علاوه بر آن با افزايش فشار بخار، باعث افزايش دماي اشباع آن می‌شود. اين اختلاف دماي حاصل، موتور اصلی تبدیل بخار به آب در کندانسور سطحی خواهد بود. مطابق نمودار اشباع آب در شکل زیر، با افزایش فشار، بخار از نقطه 1 (حالت اشباع) به نقطه 2 (حالت سوپرهیت) تغییر شرایط می‌دهد. دمای اشباع بخار افزایش یافته و بخار در دمای بالاتری تقطیر می‌شود. افزایش فشار بخار زمینه را برای انجام انتقال حرارت با منبع دما پایین فراهم می‌کند. بخار‌های پرفشار خروجی از تمامی کمپرسورها، دارای فشار یکسان بوده و پس از عبور از دی‏سوپرهیتر وارد کندانسور بخار در نظر گرفته شده برای هر مرحله می‌گردد. علت جداسازی دی‎سوپرهیتر و کندانسور مراحل مختلف فراهم آوردن امکان خاموش کردن بعضی از کمپرسورها در شرایطی است که بخار خروجی از آبشار تبخیری بدون نیاز به کمپرسور توسط منبع دما پایین تقطیر می‌‏شود. برای مثال در یک سامانه برج خنک‌کن بسته، از کندانسور بخار هواخنک استفاده شده است و کاهش دمای آب خنک‌کن در سه مرحله از 48 به 39 درجه سانتی گراد کاهش می‌یابد. اختلاف دمای اولیه بخار و هوا در طراحی کندانسور، 20 درجه سانتی گراد است. دمای بخار خروجی از مرحله اول تا سوم آبشار تبخیری به ترتیب 44، 41 و 39 درجه سانتی گراد است؛ بنابراین در صورتی که دمای هوا به زیر 24 درجه سانتی گراد کاهش یابد، نیازی به افزایش فشار بخار در این مرحله اول نبوده و کمپرسور آن می‏‌تواند خاموش شود. در حالی که سایر مراحل همچنان نیاز به کمپرسور دارند، به دلیل آن که فشار بخار خروجی از مراحل مختلف یکسان نیست لازم است کندانسور مجزا از یکدیگر داشته باشند.

بخار آب خروجی از کمپرسور در مراحل مختلف همواره به میزان قابل توجهی سوپرهیت است. در صورتی که بخار با همین وضعیت وارد کندانسور بخار شود، بخش قابل توجهی از سطوح انتقال حرارت کندانسور باید صرف تبدیل بخار سوپرهیت به بخار اشباع شود. برای جلوگیری از این مسأله، بخار ابتدا وارد تجهیز دی‏‌سوپرهیتر شده و دمای آن تا دمای اشباع متناظر با فشار بخار کاهش می‌یابد. در دی‏‌سوپرهیتر بخار از یک مجرا عبور داده شده و آب با دمای اشباعِ متناظر با فشارِ بخارِ خروجی از کمپرسور و دبی مشخص (که به میزان سوپرهیت بودن بخار بستگی دارد) بر روی آن اسپری می‌شود. به دلیل اختلاف دمای بخار و آب اسپری شده، آب تبخیر می‌شود و دمای بخار را تا نزدیکی دمای اشباع کاهش می‌دهد. بنابراین استفاده از دی‌‏سوپرهیتر یک مزیت و یک عیب دارد: مزیت آن کاهش سطح انتقال حرارت مورد نیاز کندانسور و عیب آن افزایش جزیی دبی بخار ورودی به کندانسور است. در مجموع استفاده از دی‌‏سوپرهیتر منجر به کاهش سطح انتقال حرارت کندانسور می‏‌شود.

بخار اشباع پس از عبور از دی‌سوپرهیتر وارد کندانسور بخار می‌شود. با توجه به نوع منبع دما پایین کندانسور بخار می‌تواند از نوع هواخنک یا آب خنک باشد.
کندانسور هوایی یا کندانسور هواخنک Air-Cooled Condenser
در صورتی که در طراحی برج خنک‌کن بسته، هوا به عنوان منبع دما پایین در نظر گرفته شود، بخار خروجی از دی‏‌سوپرهیتر وارد کندانسور هوایی مربوط به هر مرحله می‏‌شود. با توجه به اینکه دبی جرمی بخار ایجاد شده در هر مرحله متفاوت است، سطح انتقال حرارت کندانسور هوایی در مراحل مختلف متفاوت است. طراحی کندانسور هوایی به صورت ماژولار بوده و در هر مرحله بسته به میزان انتقال حرارت مورد نیاز، از تعداد مناسبی از ماژول‌های کندانسور هوایی استفاده می‌شود. منظور از یک ماژول، دو مبدل حرارتی هوا خنک بوده که به صورت A شکل و با زاویه 60 درجه به یکدیگر متصل شده و یک فَن محوری بصورت جریان اجباری، هوا را از روی آن‌ها عبور می‌دهد. همچنین به منظور به چرخش درآوردن فن از یک مجموعه موتور الکتریکی و گیربکس استفاده می‌شود. به منظور به حداقل رساندن افت فشار هوا در ورودی فن‌های کندانسور هوایی، فن‌ها در ارتفاع نصب می‌شوند. معمولا فاصله فن تا زمین 2 تا 3 برابر قطر فن در نظر گرفته می‌شود. بنابراین در کندانسور‌های هوایی با ظرفیت بالا که از فن‌های با قطر بزرگ استفاده می‌شود، سازه نگهدارنده فن ارتفاع بالایی خواهد داشت.

کندانسور آب خنک (کندانسور بخار سطحی یا Surface Steam Condenser)
در برج‌های خنک‌کن بسته که از آب دریا به منظور تقطیر بخار استفاده می‌شود، بخار خروجی از دی سوپرهیتر وارد کندانسور سطحی می‌شود. کندانسور سطحی یک مبدل لوله و پوسته بوده که آب دریا در درون لوله‌ها و بخار در پوسته جریان دارد. اختلاف دمای آب دریا و بخار ورودی معمولا 10 درجه سانتی گراد در نظر گرفته می‌شود. به دلیل این اختلاف دما، بخار بر روی لوله‌ها کندانس شده و آب در Hotwell کندانسور جمع آوری می‌شود. تعداد مسیر لوله در کندانسور سطحی معمولا 1 یا 2 در نظر گرفته می‌شود. در شرایطی که کاهش ابعاد کندانسور و طول لوله‌ها مدنظر باشد، کندانسور با تعداد مسیر لوله 2 طراحی می‌شود. با توجه به اینکه دبی جرمی بخار ایجاد شده در هر مرحله متفاوت است، سطح انتقال حرارت و دبی آبِ دریای ورودی به کندانسور در مراحل مختلف متفاوت است. در هر مرحله از یک مبدل لوله و پوسته به عنوان کندانسور بخار استفاده می‌شود.

استخراج گازهای غیر قابل تقطیر

برای جداسازی گازهای غیر قابل تقطیر از سیستم نی‏دو استفاده می‌شود. نی‏دو طرحی ابتکاری از یک اجکتور آبی است. در این تجهیز گازهای غیر قابل تقطیر به خط مکش اجکتور متصل شده و توسط جریان آب پرفشار از کندانسور خارج می‌شوند. اين تجهیز در هنگام راه­اندازي به عنوان هوازدا (Deaerator)،  هوازدایی کل سيستم را بر عهده دارد.

معرفی

ویژگی

مزایا

مقایسه

در برج خنک‌کننده بسته، خنک کاری کاملا بدون ارتباط مستقیم آب با هوا و به دور از نور خورشید انجام می‌شود. از مهم‌ترین مزایای طرح پیشنهادی، عدم هدر رفت آب در فرایند خنک کاری و عدم وابستگی عملکرد سیستم به رطوبت نسبی هوا است. در مجموع، مزایای برج خنک‌کننده بسته را می‏‌توان بصورت زیر جمع بندی کرد:

 

1- مصرف آب در برج خنک‌کننده بسته صفر است. تمامی آب ورودی به سیستم خنک‌کننده پس از کاهش دما مجددا به سیکل باز گردانده می‌شود. بنابراین در صورت اجرای این طرح نیازی به مصرف آب جهت خنک کاری نیست.

2- به دلیل عدم کاهش میزان آب ورودی در کل فرایند طراحی شده، TDS آب خنک شده با TDS آب گرم ورودی یکسان می‌باشد.

3- به دلیل بسته بودن برج خنک‌کننده و انجام فرایند خنک کاری به دور از نور خورشید و هوا، امکان رشد میکرو ارگانیسم‌ها و تغییر کیفیت آب در اثر ورود گرد و غبار وجود ندارد. بنابراین نیازی به افزودن مواد شیمیایی به آب جهت از بین بردن باکتری‌ها و جلبک‌ها نیست.

4- تبخیر آب در برج خنک‌کننده بسته به صورت خودجوش و بر اساس خواص ترمودینامیکی آب صورت می‌پذیرد و هیچ ارتباطی با دمای حباب مرطوب هوا ندارد؛ به همین دلیل عملکرد برج خنک‌کننده بسته متأثر از رطوبت نسبی هوا نیست.

5- در برج خنک‌کننده بسته از آب به عنوان مبرد استفاده می‌شود. این مسأله مزیت بسیار بزرگی برای برج خنک‌کننده بسته است. انتخاب صحیح مبرد همچنان یک مسأله جاری در صنعت است. استفاده از مبرد‌های CFC سال‌هاست که به دلیل آثار مخرب آن‌ها بر لایه اوزون ممنوع شده است. همچنین کاربرد HFC‌ ها نیز به دلیل پتانسیل بالای آن‌ها بر تسریع روند گرمایش زمین و مخصوصا پس از تصویب مقررات جدید در اتحادیه اروپا مبنی بر ایجاد سختگیری‌های بیشتر در زمینه استفاده از HFC‌ ها، محدود شده است. پیش‌بینی می‌شود تا سال 2030 مصرف این دسته از مبرد‌ها تا 20 درصد میزان مصرف در سال 2015 کاهش یابد؛ بنابراین تمایل به استفاده از سایر مبردهای طبیعی همچون آمونیاک و هیدروکربن‌ها بیشتر شده است. با این وجود استفاده از این مبردها نیز به دلیل سمی و اشتعال پذیر بودن با مشکلاتی مواجه است. از جهات مختلف آب بهترین مبرد برای استفاده در سیکل‌های سردساز است. آب بی بو، بی رنگ، ارزان و در دسترس بوده و هیچ تاثیر منفی بر گرمایش زمین یا نازک شدن لایه اوزون ندارد. همچنین آب بر خلاف سایر مبردهای طبیعی سمی و اشتعال پذیر نیست. هیچ کدام از مقررات فعلی و آتی محیط زیستی و ایمنی مرتبط با به کارگیری و نگهداری سامانه‌های سردساز، محدودیتی در زمینه استفاده از آب اعمال نمی‌کنند. علاوه بر ملاحظات محیط زیستی، از نظر ترمودینامیکی نیز آب مبرد ایده آلی برای کاربردهای با دمای بالای صفر درجه سانتیگراد است. آب نسبت به سایر مبرد‌ها گرمای نهان تبخیر بیشتری دارد و بنابراین مقادیر بسیار بیشتری از انرژی گرمایی را به هنگام تغییر فاز از مایع به بخار جذب می‌کند؛ بنابراین با تبخیر بخش کمی از آب دمای مابقی آن به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد.

6- مزیت دیگر برج خنک‌کننده بسته، امکان خاموش کردن کمپرسورها و کاهش مصرف برق در بخش عمده‌ای از روزهای سال است. برای مثال یک سیستم برج خنک‌کننده بسته که با ظرفیت آب خنک کن 20000 مترمکعب در ساعت و با استفاده از کندانسور هوایی طراحی شده است، دمای آب خنک‌کننده را در شش مرحله، از 42 درجه به 30 درجه سانتی‌گراد و با استفاده از 6 کمپرسور محوری کاهش می‏‌دهد. اختلاف دمای اولیه مورد نیاز کندانسور هوایی 20 درجه سانتی‌گراد است. در این حالت هرگاه دمای بخار ورودی به کندانسور از دمای هوا 20 درجه بیشتر باشد، بخار به طور کامل تقطیر می‌شود. بنابراین در شرایطی که این اختلاف دما به طور طبیعی وجود داشته باشد نیازی به روشن کردن کمپرسورها وجود ندارد. این مسأله که در سیکل‌های سردساز با عنوان کولینگ رایگان یا Free Cooling شناخته می‌شود منجر به کاهش قابل ملاحظه مصرف برق در طول سال می‌گردد. در جدول زیر دمای بخار خروجی از هر مرحله آبشار تبخیری، حداکثر دمای آب و هوا که کمپرسور آن مرحله تا آن دما می‌تواند خاموش باشد و همچنین توان مصرفی هر مرحله برای سیستم برج خنک‌کننده یاد شده نمایش داده شده است.

 

شماره مرحله آبشار تبخیری دمای بخار خروجی از آبشار تبخیری (C°) حداکثر دمای هوا برای خاموش ماندن کمپرسور هر مرحله (C°) توان مصرفی کمپرسور هر مرحله (MW) تعداد ساعات روشن بودن کمپرسور هر مرحله در طول سال
1 40 20 3.5 3700
2 38 18 3.5 4200
3 36 16 3.5 4800
4 34 14 3.5 5100
5 32 12 3.5 5700
6 30 10 3.5 6100

 

تعداد ساعات روشن بودن کمپرسور هر مرحله با استفاده از نمودار زیر که توزیع فراوانی تجمعی دمای هوا در طول سال است، تعیین می‌شود.

 

 

نمودار زیر روند روشن شدن کمپرسورها با افزایش دمای هوا را نشان می‌دهد.

 

 

با توجه به تعداد ساعات روشن بودن کمپرسورها، می‌توان توان مصرفی لحظه‌ای کمپرسورها و میانگین توان مصرفی آن‌ها را محاسبه کرد. نمودار زیر مصرف برق کمپرسورها برای ساعات مختلف در طول یک سال را نشان می‌دهد. مساحت زیر نمودار میزان مصرف برق کمپرسورها در طول سال بر حسب مگاوات- ساعت را نشان می‌دهد. همچنین خط قرمز رنگ، نشان دهنده میانگین توان مصرفی کمپرسورها در طول سال است. بر اساس این نمودار، با توجه به این‌که کمپرسورها تنها در مواقع نیاز روشن می‌شوند، میانگین مصرف آن‌ها در طول سال تقریبا نصف میزان بیشینه مصرف است.

معرفی

ویژگی

مزایا

مقایسه

روش‌های متداول و مرسوم در خنک کاری صنعتی عبارت از استفاده از برج خنک‌کننده مرطوب، برج‌های خنک‌کننده خشک و چیلر‌های تراکمی است.

۱- برج خنک‌کننده مرطوب
در واحدهای صنعتی، فرایندی و نیروگاهی معمولا از آب، جهت خنک‌‏کاری تجهیزات یا سیال فرایندی استفاده می‏‌شود. به منظور کاهش دمای آب کولینگ و بازگرداندن آن به سیکل خنک‏‌کاری، از برج‏های خنک‌کننده استفاده می‌گردد. به دلیل ساختار ساده و هزینه اولیه و جاری پایین، برج‌های خنک‌کننده مرطوب اولین گزینه صنایع مختلف جهت خنک کاری است. در برج‌های خنک‌کننده مرطوب، آبِ گرم شده در برج به گردش در آمده و از بالای برج به پایین ریخته می¬شود. این آب در حین سقوط از درون پکینگ داخلی برج با هوا برخورد کرده و مقداری از آن بر اثر تبخیر سطحی، بخار شده و به هوا وارد می¬شود. انرژی مورد نیاز برای تبخیر، از بقیه آب در حال گردش گرفته شده و در نتیجه دمای این آب کاهش می‌یابد. به علت تفاوت چشم‌گیر گرمای ویژه و گرمای نهان تبخیر آب، با تبخیر مقدار اندکی، دمای مقدار زیادی از آب در گردش کاهش می‌یابد. با وجود مزایای اصلی برج خنک‌کننده  مرطوب، وجود بعضی از عوامل استفاده از این روش را با محدودیت مواجه می‌نماید. در ادامه معایب و مشکلات اصلی برج خنک‌کننده مرطوب شرح داده می‌شود.

 

 

مهمترین مشکل برج خنک‌کننده مرطوب را می‌توان مصرف آب دانست. همانطور که اشاره شد، مکانیزم اصلی خنک کاری در برج خنک‌کننده مرطوب تبخیر سطحی آب است. به ازای هر 5/5 درجه سانتی گراد خنک کاری در برج خنک‌کننده مرطوب، 1 درصد از آب ورودی به برج تبخیر می‌شود. همچنین تبخیر آب منجر به افزایش TDS (کل مواد جامد محلول) آب می‌شود که به منظور جلوگیری از اثرات مخرب این افزایش و ثابت نگه داشتن آن، باید بخشی از آب خنک‌کن از سیکل خارج و آب تازه با مقدار TDS مجاز به سیکل اضافه گردد. به آب خارج شده از سیکل به منظور تنظیم TDS، «آب بلوداون» گفته می‌شود. علاوه بر این، بخشی از آب کولینگ بصورت قطرات ریز به همراه جریان هوا به بیرون از برج پرتاب شده و از دسترس خارج می‌شود. معمولا در برج‌های خنک‌کننده مرطوب میزان بلوداون و پرتاب قطرات آب، با فرض سیکل تغلیظ، برابر با 5 و در مجموع 25 درصد میزان تبخیر است. بنابراین می‌توان گفت به ازای هر 5/5 درجه سانتی گراد خنک کاری در برج خنک‌کننده مرطوب حدودا 25/1 درصد از آب خنک کن هدر می‌رود.

 

 

مشکل دیگر استفاده از برج خنک‌کننده مرطوب، افزایش غلظت مواد محلول در آب و کاهش مداوم کیفیت آن به دلیل تبخیر است. همان‌طور که گفته شد، تبخیر آب منجر به افزایش TDS آن می‌گردد. افزایش TDS اثرات بسیار مخربی در پی دارد که مهترین آن‌ها افزایش قابلیت خوردگی و رسوب‌گذاری آب است. با افزایش میزان سختی آب در فرایند خنک‌کاری، به مرور زمان خوردگی در قطعات در معرض تماس با آب غیر قابل اجتناب است.

 

خوردگی در مبدل حرارتی به دلیل کیفیت پایین آب در برج خنک‌کننده مرطوب

 

افزایش سختی آب در اثر تبخیر سطحی، سبب ایجاد رسوب در برج خنک‌کننده و لوله‌های انتقال آب و سایر تجهیزات می‌شود. به منظور مقابله با افزایش TDS باید همواره بخشی از آب تغلیظ شده درون برج را خارج نموده و آب با TDS پایین را جایگزین آن کرد. بنابراین وجود سیستم پایش و کنترل کیفیت آب الزامی است. علاوه بر این در شرایط کم آبی امکان جبران آب به میزان مورد نیاز جهت ثابت ماندن TDS وجود ندارد و بنابراین در ماه‌های گرم سال به طور مداوم TDS افزایش پیدا می‌کند. این موضوع افزون بر اختلال در عملکرد برج خنک‌کننده مرطوب، از طریق ایجاد رسوب بر روی سطوح انتقال حرارت داخل برج منجر به خوردگی سایر تجهیزات واحد صنعتی همچون کندانسور و مبدل‌های حرارتی که آب کولینگ در آن‌ها جریان دارد می‌گردد. رشد میکرو ارگانیسم‌ها در درون برج خنک‌کننده مرطوب، معضل دیگری است که این دسته از تجهیزات با آن سر و کار دارند. به دلیل تابش نور خورشید و دمای مناسب آب درون برج، شرایط مساعدی برای رشد باکتری‌ها، جلبک‌ها و قارچ‌ها ایجاد می‌شود. از مشکلاتی که این پدیده به همراه دارد می‏توان به ایجاد خوردگی‌های موضعی، جرم گرفتگی لوله‌ها، کاهش جریان آب و بهم خوردن توزیع بهینه آب در برج خنک‌کننده  مرطوب اشاره کرد. همچنین خطرات ناشی از آلودگی‌های میکروبی برای سلامتی بهره بر داران از برج خنک تر نیز نباید نادیده گرفته شود. کنترل رشد میکروارگانیسم‌ها نیازمند بهره‌گیری از سیستم کارآمد و دقیق جهت اضافه نمودن مواد شیمیایی مناسب (به طور معمول از کلر استفاده می‌شود) به آب کولینگ است، که باعث ایجاد هزینه می‌گردد. همچنین باز بودن سیستم برج خنک‌کننده مرطوب و ارتباط مستقیم آن با هوا منجر به وارد شدن گرد و غبار و سایر ذرات خارجی به آب کولینگ شده که علاوه بر ایجاد رسوب، می‌تواند منجر به تغییر PH آب در گردش شود.

 

 

به عنوان آخرین مشکل عمده برج‌های خنک‌کننده مرطوب می‌توان به وابستگی عملکرد این دسته از تجهیزات به رطوبت نسبی هوا اشاره نمود. عملکرد برج خنک‌کن مرطوب تابعی از اختلاف دمای آب گرم ورودی به برج و دمای حباب مرطوب هوا است. هر چه این اختلاف بیشتر باشد امکان تبخیر سطحی بیشتر بوده و برج عملکرد بهتری خواهد داشت. با بالا رفتن رطوبت نسبی محیط، دمای حباب مرطوب نیز افزایش یافته و به دمای آب گرم ورودی نزدیک شده و امکان تبخیر آب کمتر می‌گردد. در روزهای گرم سال و در صورتی که دمای آب گرم ورودی به برج از دمای حباب خشک هوا کمتر باشد و همچنین در شرایطی که رطوبت نسبی محیط نزدیک به 100 درصد باشد، دمای حباب مرطوب و خشک هوا مساوی شده و از دمای آب گرم ورودی بیشتر می‌شود؛ در این حالت، عملا امکان خنک کاری از طریق برج خنک‌کن مرطوب از بین می‌رود. این شرایط در سواحل جنوبی ایران متداول بوده و بنابراین امکان استفاده از برج‌های خنک‌کننده مرطوب در زمان‏‌هایی که شرایط فوق حاکم باشد وجود ندارد.
تاثیر منفی افزایش توأمان دمای حباب خشک و رطوبت نسبی هوا و به تبع آن افزایش دمای حباب مرطوب بر عملکرد برج خنک‌کننده مرطوب را بر اساس تعریف اختلاف دمای نزدیک‌‏شدن یا Approach برج خنک‌کننده مرطوب نیز می‌توان توضیح داد. اختلاف دمای Approach، به صورت اختلاف دمای آب خنک خروجی از برج خنک‌کننده مرطوب با دمای حباب مرطوب هوا تعریف می‌شود. این کمیت به عنوان یکی از پارامترهای بسیار مهم در طراحی برج خنک‌کننده مرطوب شناخته می‌شود. هرچه اختلاف دمای Approach کمتر باشد ابعاد برج بزرگتر خواهد بود. اختلاف دمای Approach 8/2 درجه سانتی گراد (5 درجه فارنهایت) کمترین مقداری است که سازندگان برج خنک‌کننده رسیدن به آن را تضمین می‌کنند و مقادیر کمتر از آن منجر به افزایش بیش از حد ابعاد و هزینه‌های برج خنک‌کننده  مرطوب شده و از نظر اقتصادی توجیه پذیر نخواهد بود. بنابراین آب خنک خروجی از برج خنک‌کن مرطوب لااقل 3 درجه سانتی گراد از دمای حباب مرطوب هوا گرم تر خواهد بود. برای مثال استفاده از برج خنک‌کننده مرطوب برای کاهش دمای آب کولینگ از دمای 48 به 38 درجه سانتی گراد تنها در حالتی امکان پذیر است که دمای حباب مرطوب هوا کمتر از 35 درجه سانتیگراد باشد؛ این در حالی است که در سواحل جنوبی ایران و در فصل تابستان، طی ساعات طولانی، دمای حباب خشک هوا بالای 35 درجه و رطوبت نسبی نزدیک به 100 درصد است. بنابراین دمای حباب مرطوب نیز بیشتر از 35 درجه سانتی‌گراد خواهد بود و امکان استفاده از برج خنک‌کننده مرطوب برای خنک کردن آب تا دمای 38 درجه سانتی گراد وجود ندارد. هرچند دمای Approach 3 درجه سانتی‌گراد نیز کمتر از میزانی است که معمولا در طراحی برج‌های خنک‌کننده مرطوب به کار می‌رود.

 

برج خنک‌کننده خشک

۲- برج خنک‌کننده خشک

برج‌های خنک‌کننده خشک در دو نوع مکش طبیعی و مکش مکانیکی طراحی و ساخته می‌شوند. مزیت اصلی این برج‌ها عدم مصرف آب در فرایند خنک کاری است. آب خنک کن در لوله‌های مبدل‌های هواخنک جریان داشته و هوای خنک توسط فن یا مکش طبیعی از روی لوله‌ها عبور داده می‌شود. بنابراین دمای آب خنک کن کاهش می‌یابد. به منظور انتقال گرمای کافی از آب خنک کن به هوا، لازم است اختلاف دمای آب گرم ورودی به برج خنک‌کننده خشک و دمای هوا مقدار مشخصی باشد. به این اختلاف دما، اختلاف دمای اولیه (Initial Temperature Difference ITD) گفته می‌شود. هرچه ITD طراحی برج کمتر باشد، ابعاد آن بزرگتر خواهد بود. ملاحضات فنی و اقتصادی نشان می‌دهد که مقدار بهینه ITD، 26 تا 30 درجه سانتی گراد است. این بدان معناست که باید دمای آب گرم ورودی به برج خنک‌کننده خشک 26 درجه بیشتر از دمای هوا باشد. بنابراین تنها در حالتی می‌توان از این روش خنک کاری استفاده کرد که دمای آب خنک کن نسبتا بالا باشد. این مسأله باعث محدودیت اصلی برج‌های خنک‌کننده خشک است که موجب می‌شود با افزایش دمای هوا و آب دریا برج خنک‌کننده خشک کارایی نداشته باشد. در این شرایط برای جبران کاهش ظرفیت خنک کاری، باید از اسپری آب بر روی مبدل‌های هواخنک استفاده کرد که علاوه بر مصرف آب، باعث ایجاد خوردگی بر روی سطوح مبدل‌های هواخنک می‌شود.

۳- چیلر تراکمی
چیلر‌های تراکمی موجود، با صرف انرژی الکتریکی توانایی تأمین ظرفیت خنک کاری مورد نیاز را دارا هستند. با این وجود، این چیلرها به دلیل استفاده از مبرد به عنوان سیال واسط، دارای مشکلاتی هستند. مبردهای استفاده شده در چیلرهای تراکمی از نوع HFC‌ها، آمونیاک یا هیدروکربن‌ها بوده که هرکدام دارای مشکلات و محدودیت‌هایی هستند. HFC‌ها با وجود اثرات تخریبی کمتر نسبت به CFC‌ها، همچنان باعث تخریب لایه اوزون می‌شوند. علاوه بر این، استفاده از HFC‌ ها منجر به تسریع روند گرمایش زمین شده و بر اساس مقررات جدید اتحادیه اروپا، استفاده از آن‌ها تا سال 2030 باید تا بیست درصد میزان مصرف در سال 2015 کاهش یافته باشد. آمونیاک و هیدروکربن‌ها هم با وجود نداشتن اثر منفی بر لایه اوزون و گرمایش زمین، سمی و اشتعال‌زا بوده و استفاده از آن‌ها مستلزم بکارگیری مقررات ایمنی مربوط به گازهای سمی و اشتعال‌زا است. همچنین تمامی مبردهای یاد شده، در دماهای کاری دارای فشار بخار بالاتر از چندین اتمسفر بوده که باعث افزایش هزینه‌های ساخت و نگهداری چیلر می‌شود. مشکل دیگر چیلرهای تراکمی موجود، عدم امکان استفاده از مبدل‌های تماس مستقیم به دلیل استفاده از مبردهای غیر آب است. این مساله باعث افزایش هزینه ساخت و ابعاد چیلر می‌شود.