اصول عملکرد برج‌های خنک‌کننده

اصول عملکرد برج‌های خنک‌کننده: تبخیر و انتقال حرارت

برج خنک‌کننده (Cooling Tower) یک مبدل حرارتی بسیار مؤثر است که برای دفع حرارت از یک جریان آب به جو، بر اساس دو اصل اساسی تبخیر (Evaporation) و انتقال حرارت محسوس (Sensible Heat Transfer) عمل می‌کند. با این حال، تبخیر و استفاده از گرمای نهان، نقش غالب و اصلی را در فرآیند خنک‌کاری دارد.

۱. اصل غالب: تبخیر (Latent Heat Transfer)

تقریباً ۷۵ تا ۸۵ درصد از کل خنک‌سازی در برج، از طریق تبخیر انجام می‌شود. این فرآیند از گرمای نهان تبخیر استفاده می‌کند.

الف. مفهوم گرمای نهان

• تبخیر: وقتی آب گرم وارد برج می‌شود و با هوای محیط تماس پیدا می‌کند، بخش کوچکی از آن (حدود ۱٪ به ازای هر $10$ درجه فارنهایت خنک‌سازی) تبخیر می‌شود و به بخار آب تبدیل می‌گردد.

• جذب حرارت: برای تبدیل یک مایع (آب) به گاز (بخار)، انرژی زیادی مورد نیاز است. این انرژی (گرمای نهان) مستقیماً از توده آب باقی‌مانده جذب می‌شود.

• نتیجه: این جذب حرارت، دمای آب را به شدت کاهش می‌دهد. انرژی دفع شده از این طریق بسیار بیشتر از انرژی است که با صرفاً جابجایی هوا می‌توان دفع کرد.

ب. دمای حباب مرطوب ($\text{Wet-Bulb Temperature}$)

• محدودیت اصلی: فرآیند تبخیر در نهایت محدود به دمای حباب مرطوب هوا است. دمای حباب مرطوب، کمترین دمایی است که آب می‌تواند با تبخیر به آن برسد.

• اهمیت: هر چه دمای حباب مرطوب محیط پایین‌تر باشد، اختلاف دما بین آب و هوا بیشتر شده و فرآیند تبخیر قوی‌تر انجام می‌شود، و در نتیجه آب خنک‌تری تولید می‌شود.

۲. اصل ثانویه: انتقال حرارت محسوس (Sensible Heat Transfer)

باقیمانده فرآیند خنک‌سازی (حدود ۱۵ تا ۲۵ درصد) از طریق انتقال حرارت محسوس انجام می‌شود.

الف. انتقال حرارت از طریق رسانایی و جابجایی

• تعریف: حرارت محسوس، گرمایی است که باعث تغییر دمای ماده می‌شود. این فرآیند شامل انتقال حرارت از آب گرم به هوای خنک است، بدون اینکه فاز ماده تغییر کند.

• مکانیزم: وقتی آب گرم با هوای سردتر در تماس مستقیم قرار می‌گیرد (در پکینگ‌ها)، گرما به صورت جابجایی (Convection) و رسانایی (Conduction) از آب به مولکول‌های هوا منتقل می‌شود و دمای هر دو ماده تغییر می‌کند (آب سرد و هوا گرم می‌شود).

۳. اجزای کلیدی برای به حداکثر رساندن اصول عملکرد

برای اطمینان از حداکثر کارایی این دو اصل، برج‌های خنک‌کننده از اجزای خاصی استفاده می‌کنند:

الف. پکینگ (Fill)

• وظیفه: پکینگ‌ها (که از صفحات پلاستیکی یا مواد دیگر ساخته شده‌اند) سطح تماس بین آب و هوا را به شدت افزایش می‌دهند.

• انواع:

  • پکینگ فیلمی (Film Fill): آب را به صورت یک لایه نازک پخش می‌کند تا تبخیر به حداکثر برسد.

  • پکینگ پاششی (Splash Fill): آب را به قطرات کوچکتر تقسیم می‌کند.

ب. فن (Fan)

• وظیفه: فن، هوا را از طریق پکینگ‌ها جابجا می‌کند تا هوا و آب به طور پیوسته در تماس باشند. جریان هوا به سه روش می‌تواند ایجاد شود:

  • مکشی (Induced Draft): فن در بالای برج قرار دارد و هوا را از داخل برج می‌کشد (رایج‌ترین نوع).

  • دمشی (Forced Draft): فن در پایین برج قرار دارد و هوا را به داخل برج می‌دمد.

  • طبیعی (Natural Draft): بدون فن (فقط در سازه‌های بسیار بزرگ، مانند نیروگاه‌ها).

۴. چرخه آب برج خنک‌کننده

در طول عملکرد برج خنک‌کننده، چهار فرآیند مهم در مصرف و مدیریت آب رخ می‌دهد:

1. تبخیر (Evaporation): همان آب از دست رفته‌ای که فرآیند خنک‌سازی را انجام می‌دهد.

2. خروج قطرات (Drift): مقدار بسیار کمی از قطرات آب که به صورت مه، توسط جریان هوا به خارج از برج حمل می‌شوند.

3. تخلیه (Bleed-off / Blowdown): آب دور ریز مورد نیاز. از آنجا که تبخیر باعث می‌شود املاح معدنی در آب باقی‌مانده غلیظ شوند، باید بخشی از آب غلیظ دور ریخته شود و با آب تازه جایگزین گردد تا از رسوب‌گذاری و خوردگی جلوگیری شود.

4. آب جبرانی (Make-up Water): آب تازه که برای جبران آب تبخیر شده، دریف و بلودان به برج اضافه می‌شود.

این فرآیند ساده و مؤثر، امکان حفظ راندمان بالا را در چیلرهای آب‌خنک و سایر سیستم‌های نیازمند دفع حرارت عظیم فراهم می‌کند.

اصل ترمودینامیکی پمپ حرارتی

برج خنک‌کننده (Cooling Tower) چیست و ضرورت آن در چیلر آب‌خنک

رادیاتور چیست؟ مروری بر اصول انتقال حرارت

نصب برج‌های خنک‌کننده روی بام