کاربرد برج خنک کننده در نیروگاه های حرارتی

همان طور که میدانید بیش تر فرآیندهای صنعتی و سیستم‌های تهویه مطبوع با تولید گرما همراه هستند و این گرمای تولید شده باید به نوعی از سیستم خارج شود و با توجه به اینکه آب ظرفیت گرمایی ویژه زیادی دارد، بهترین ماده جهت دفع این گرما است. برج خنک کننده یا کولینگ تاور (cooling tower) نوع خاصی از مبدل حرارتی است که از طریق هوا به خنک سازی آب در گردش کندانسور (به روش تبخیری) می پردازد.

برج های خنک کننده به صورت گسترده و در اشکال و ابعاد مختلفی در سیستم های تهویه مطبوع ساختمان ها، نیروگاه‌ها، پالایشگاه‌ها و صنایع مختلف (براساس روش انتقال حرارت توسط انتقال جرم)، از مدل‌های کوچک پشت ‌بامی برای ساختمان ‌های مسکونی تا سازه‌هایی بسیار بزرگ (ارتفاع تا 200 متر و قطر 100 متر) و غالبا هذلولی‌ شکل در نیروگاه ها و صنایع بزرگ کاربرد دارند.

کاربرد برج خنک کننده در تهویه مطبوع مرکزی ساختمان ها

به منظور تأمین آب خنک کننده مبرد در سیستم های تهویه مطبوع که از چیلر جذبی یا تراکمی آبی یا انواع پکینگ اسپلش جهت یک منبع سرمایشی استفاده می‌شود، باید منبع دیگری نیز در مدار تأسیسات طراحی شود که وظیفه خنک کردن ماده مبرد چیلر را برعهده بگیرد. این دستگاه یعنی خنک کننده کندانسور چیلرهای جذبی و تراکمی آبی همان برج خنک کننده است. در بیش تر ساختمان های مسکونی و اداری که دارای سیستم حرارت و برودت مرکزی هستند، برج خنک کننده در بام آن ها قابل رویت است.

راندمان پکینگ برج خنک کننده به دبی، دمای آب ورودی و خروجی از کولینگ تاور و دمای مرطوب هوا در تابستان (WB) بستگی دارد. از این رو توصیه می شود قبل از نصب و خرید آن، کلیه اصول طراحی و انتخاب برج خنک کننده و همینطور قیمت برج های خنک کننده در نظرگرفته شود.

کاربرد برج خنک کننده در نیروگاه ها

عمده انرژی الکتریکی مورد نیاز بشر از نیروگاه های حرارتی تأمین می گردد. این نیروگاه ها معمولاً از بخار سوپرهیت به عنوان سیال و عامل محرک توربین و مولد انرژی الکتریکی استفاده می‌کنند که طی فرآیندهای مختلف نیاز به خنک سازی دارد. با توجه به نیاز گسترده خنک سازی در نیروگاه ها از کولینگ تاورهای عظیمی استفاده می شود که دارای ارتفاع تا 200 متر، قطر 100 متر و جریان دبی آب تا پنجاه هزار متر مکعب در ساعت هستند. در این گونه از برج خنک کن به دلیل حساسیت و الزاماتی که در نیروگاه ها وجود دارد میبایست در تمام طول مدت فعالیت عملکرد مطمئن و پایداری داشته باشد.

مهم ترین اختلاف در طراحی نیروگاه‌های حرارتی نوع سوخت مصرفی در آن هاست. در نیروگاه های حرارتی بخار سوپرهیت و پرفشار آب حاصل از احتراق سوخت های فسیلی (مانند نفت، ذغال سنگ و گاز طبیعی)، انرژی هسته ای و یا انرژی های تجدید پذیر (مانند انرژی خورشیدی و انرژی زمین گرمایی) توربین ها را به حرکت در می آورد. آب داغ پس از اینکه به بخار سوپرهیت تبدیل شد به سمت توربین که به ژنراتور متصل است می رود و با استفاده از انرژی جنبشی خود آن را به حرکت در می آورد و پس از عبور بخار از توربین وارد کندانسور می شود. در این مرحله برج خنک کننده نیروگاه با کاهش دمای بخار آن را به آب کندانس تبدیل می کند.

کاربرد برج خنک کننده در صنایع مختلف

برج خنک کننده در صنایع مختلف همچون پتروشیمی، صنایع فولاد، صنایع غذایی مانند لبنیات، تولید کاغذ، داروسازی، خودرو، صنایع چوب، سیمان، رنگ و رزین، تزریق پلاستیک، تولید شیشه و سرامیک و … استفاه می شود. کاربرد اصلی برج خنک کن در صنایع، تعدیل دمای منابع حرارتی و ماشین آلات سنگین مانند دستگاه تزریق و کوره های القایی است. به طور مثال کوره القایی پس از طی یک فرآیند ذوب گیری نیازمند تبادل حرارت با محیط بیرون است و طبیعتا هوای اطراف کوره نمی تواند بدون استفاده از آب این حجم وسیع از انرژی گرمایی را به محیط بیرون منتقل نماید.

سیال آب با داشتن ظرفیت گرمایی ویژه بسیار زیاد، این امر را ساده کرده و پس از دریافت گرما جهت ریکاوری به برج خنک کننده باز می گرداند. همچنین در صنعت تزریق پلاستیک نیز طی یک چرخه تزریق مواد پلاستیکی بخش قالب باید تحت زمان معین خنک شود تا قطعه مورد نظر تولید شود. سرد کردن قالب و همچنین خنک کاری روغن گردشی در داخل دستگاه تزریق توسط کولینگ تاور صنعتی یا چیلر خنک کننده آب انجام می شود.

استفاده برج خنک کننده در صنعت نفت و پتروشیمی

در یک پالایشگاه نفت خام که اساس کار خنک سازی نفت (تقطیر) است، نفت در برج تقطیر به صورت پلکانی (مرحله به مرحله) به دماهای پایین تر می رسد. دمای نفت خام گاهی به بالاتر از 400 درجه سلسیوس نیز افزایش پیدا می کند که از آب خنک جهت خنک سازی نفت در برج تقطیر استفاده می شود. آب خنک مورد نیاز در برج تقطیر توسط برج خنک کن تامین می شود.

برج خنک کننده نیروگاه برقی حرارتی

بخش عمده انرژی مورد نیاز کشورها از نیروگاه برقی حرارتی تأمین می گردد که همه آنها نیاز به خنک سازی نیاز دارند. در نیروگاه‌ های برقی حرارتی، آب داغ تأمین شده حاصل از گاز طبیعی، ذغال سنگ، نفت و یا انرژی هسته ای توربین‌ ها را به حرکت درمی آورد. آب داغ پس از اینکه به بخار اشباع تبدیل شد حال به سمت توربین که به ژنراتور متصل است می رود و با استفاده از انرژی جنبشی خود آن را به حرکت در می‌ آورد و پس از عبور بخار از توربین وارد کندانسور می‌ شود. در این مرحله کولینگ تاور با کاهش دمای بخار آن را به آب اشباع تبدیل می نماید.

طرح یک سوال مهم: کدام شهرهای ایران شرایط مساعد تری برای نصب یک برج خنک کننده دارند؟

بزرگترین نیروگاه های کشور در شهرهای اراک، یزد، اصفهان قرار دارند و منبع برودتی و سرمایشی همگی آنان برجهای خنک کننده بتنی است. البته شهرهایی مانند بوشهر، آبادان، ماهشهر و سایر شهرهای جنوبی نیز دارای نیروگاه های بزرگی بوده که بدلیل شرایط رطوبتی بالای محیط، محل مناسبی برای بکارگیری برج خنک کننده نیست. امروزه در بیشتر مناطق کشور با دمای مرطوب پایین برجهای خنک کننده در نیروگاه های آن شهرها دیده می‌شوند.

بررسی انواع برجهای خنک کننده نیروگاهی

در یک دسته بندی کولینگ تاور ها بر اساس نوع مکش جریان هوا به دو دسته اتمسفریک(جریان طبیعی)و فورس درفت (جریان اجباری) تقسیم بندی می شوند.

1-برج خنک کن اتمسفریک چیست؟

در گذشته که تکنولوژی فن ها یا پروانه های هوادهی موجود نبود طراحی سیستم های سرد کننده با جریان هوای طبیعی (باد) انجام میگرفت. در این مدل برج خنک کننده جریان طبیعی هوای اتمسفر(جو) با فشار و سرعت بسیار کمی به داخل یک کولینگ تاور مکش می شد و در تماس با آب گرم ریزشی قرار می گرفت. همانطور که واضح است اینگونه منابع سرمایشی قالباً در محیطهای دیزباد(دارای وزش باد شدید) نصب می گردید تا بیشترین کارایی را دارد باشد. راندمان برج خنک کننده اتمسفریک عمدتاً به سطح مقطع و ارتفاع چیدمان سطوح خنک کننده (پکینگ) بستگی داشت.

2-برج خنک کن جریان اجباری چگونه کار می کند؟

نسل امروزی و جدید برجهای خنک کاری آب از نوع مکش یا دهش القایی (اجباری) بوده که بدلیل کارکرد بسیار خوب از کاربرد فروانی بهره جسته است. امروزه در بسیاری از نیروگاه های بروز کشورمان برجهای خنک کن از نوع مکنده اجباری طراحی میشوند. بسیاری از سازندگان مطرح کشور ایران نیز در جهت توسعه نیروگاه های سیکل ترکیبی، آبی و هوایی از این منبع سرمایشی در جهت خنک کاری ژنراتورهای خود بهره می برند.

برج خنک کننده نیروگاهی مداربسته

طراحی و راه اندازی نیروگاه های تولید برق معمولاً شامل هزینه های بالایی می شود و از این رو یکی از نگرانی ها تعمیر و نگهداری آنان است. در یک برج خنک کننده مدارباز بدلیل تبخیر همواره غلظت مواد محلول در آب رو به رشد است. این افزایش سختی آب موجب رسوب گرفتگی در مبدل ژنراتورها می شود. یک ژنراتور برای بخش های مختلف خود از جمله روغن، توربوشارژ ایر، شارژ ایر و سر سیلندرها نیازمند گردش آب خنک است. گردش آب با سختی بالا موجب خرابی این بخشها شده و از این رو برجهای خنک کننده مداربسته پیشنهاد میشود.

روش خنک کاری آب در برج خنک کننده مداربسته

در واقع کولینگ تاور مداربسته دارای بخشی به نام کویل است که نسبت به نوع مدارباز این بخش افزوده گردیده است. به عبارتی دیگر آب بجای این که مستقیم بر روی پوشال های خنک سازی حرکت کند به داخل شبکه ی کویل برودتی هدایت می شود. آب پاششی پس از برخورد با سطح لوله های مسی و با جریان آب ثانویه امکان خنک کاری را بدون تبخیر فراهم میکند.  آبی که مستقیماً به قسمت های مختلف ژنراتور هدایت می شود بدون ذره ای پرت با کیفیت بالا عمل جذب گرما را انجام می دهد. فلذا آب مداربسته در درون کویل گرمای خود را به آب ریزشی بر روی مبدل منتقل می نماید. امروزه بسیاری از ژنراتورهای از 20 کاوآ تا 8000 کاوآ از برجهای مداربسته در سیستم خود استفاده می کنند.