ما هو برج التبريد الطبيعي؟

برج التبريد الطبيعي هو نوع من مبادلات الحرارة يبرد الماء بالاتصال المباشر مع الهواء. يتم استخدامه في محطات توليد الكهرباء ومصافي النفط والمنشآت البتروكيميائية ومحطات الغاز الطبيعي لإزالة الحرارة الزائدة من نظام الدوران المائي. يستخدم برج التبريد الطبيعي مبدأ التدفق الطاقي لتوفير دوران الهواء، دون الحاجة للمراوح أو الأجهزة الميكانيكية الأخرى. يتم دفع تدفق الهواء بواسطة الفرق في الكثافة بين الهواء الدافئ والرطب داخل البرج والهواء الخارجي الأبرد والأجف.

كيف يعمل برج التبريد الطبيعي؟

يتم توضيح المبدأ الأساسي لعمل برج التبريد الطبيعي في الرسم البياني التالي:

تشمل العناصر الرئيسية لبرج التبريد الطبيعي ما يلي:

• مدخل الماء الساخن: هذا هو المكان الذي يدخل فيه الماء الساخن من النظام أو المكثف إلى البرج في الأعلى. يتم ربط مدخل الماء الساخن بمجموعة من فوهات الرذاذ التي ترش الماء فوق المادة الملء.

• مادة الملء: هذه هي مادة متعددة الثقوب توفر مساحة سطح كبيرة لنقل الحرارة بين الماء والهواء. يمكن أن تكون مادة الملء مصنوعة من الخشب أو البلاستيك أو المعدن أو السيراميك. يمكن ترتيب مادة الملء بطرق مختلفة مثل قضبان الرذاذ أو الشبكات أو الحزم الفيلمية.

• الحوض المائي البارد: هذا هو المكان الذي يجمع فيه الماء المبرد في قاع البرج. يحتوي الحوض المائي البارد على صمام تصريف مضخة تقوم بإعادة تدوير الماء مرة أخرى إلى النظام أو المكثف.

• مدخل الهواء: هذا هو المكان الذي يدخل منه الهواء النقي إلى البرج في القاعدة. يمكن فتح أو إغلاق مدخل الهواء حسب تصميم البرج.

• منفذ الهواء: هذا هو المكان الذي يخرج منه الهواء الدافئ والرطب من البرج في الأعلى. يمكن أن يكون منفذ الهواء مزودًا بمضخم أو مدخنة لتعزيز تدفق الهواء.

يتضمن عملية تبريد الماء في برج التبريد الطبيعي آليتين أساسيتين هما نقل الحرارة الحسي ونقل الحرارة الخفي.

• نقل الحرارة الحسي: يحدث هذا عندما يتم نقل الحرارة من الماء الساخن إلى الهواء البارد عن طريق الاتصال المباشر. نتيجة لذلك، تتغير درجة حرارة كل من السوائل ولكن ليس طورهما. يعتمد نقل الحرارة الحسي على عوامل مثل فرق درجة الحرارة ومعدل التدفق ومساحة السطح المتصلة.

• نقل الحرارة الخفي: يحدث هذا عندما يتم نقل الحرارة من الماء الساخن إلى الهواء البارد عن طريق التبخر. نتيجة لذلك، يتغير بعض الماء من حالته السائلة إلى حالة غازية بينما يمتص الحرارة من محيطه. يعتمد نقل الحرارة الخفي على عوامل مثل نسبة الرطوبة وضغط البخار ومعامل نقل الكتلة.

يقوم مزيج من نقل الحرارة الحسي والخفي بتبريد الماء وتجميد الهواء. يسقط الماء المبرد إلى الحوض المائي البارد، بينما يرتفع الهواء الساخن إلى منفذ الهواء بسبب الطفو. يخلق تأثير الطفو تيارًا طبيعيًا يسحب المزيد من الهواء النقي عند مدخل الهواء، مما يخلق دورة مستمرة للتبريد.

ما هي أنواع أبراج التبريد الطبيعية؟

يمكن تصنيف أبراج التبريد الطبيعية إلى نوعين اعتمادًا على تركيبها:

• أبراج التبريد الطبيعية المعاكسة للتيار: في هذه الأبراج، يتدفق الماء إلى الأسفل، والهواء يتدفق إلى الأعلى في اتجاهات معاكسة. وهذا يسمح بفرق درجة حرارة أعلى وكفاءة تبريد أعلى. ومع ذلك، تتطلب هذه الأبراج ارتفاعًا أكبر وأكثر فوهات رذاذ من أبراج التدفق العرضي.

• أبراج التبريد الطبيعية ذات التدفق العرضي: في هذه الأبراج، يتدفق الماء إلى الأسفل، والهواء يتدفق أفقيًا في اتجاهات متعامدة. وهذا يسمح بارتفاع أقل وأقل فوهات رذاذ من أبراج التدفق المعاكس. ومع ذلك، فإن هذه الأبراج لديها فرق درجة حرارة أقل وكفاءة تبريد أقل من أبراج التدفق المعاكس.

يوضح الجدول التالي بعض المزايا والعيوب لكل نوع:

| التدفق العرضي | ارتفاع أقل تكلفة أقل عدد أقل من فوهات الرذاذ أقل عرضة للتكتل | فرق درجة حرارة أقل كفاءة تبريد أقل توزيع أسوأ للماء أكثر عرضة للتجمد |

يوضح الشكل التالي الفرق بين أبراج التبريد الطبيعية المعاكسة للتيار وأبراج التدفق العرضي:

ما هي التطبيقات لأبراج التبريد الطبيعية؟

تفضل أبراج التبريد الطبيعية عمومًا للتطبيقات التي تتطلب:

• قدرة تبريد كبيرة وثابتة على مدى سنوات عديدة

• تكلفة تشغيل وصيانة منخفضة

• مستوى ضوضاء واستهلاك طاقة منخفض

• مقاومة عالية للأحمال الرياح والتآكل

بعض الأمثلة على التطبيقات التي تستخدم أبراج التبريد الطبيعية هي:

• محطات توليد الطاقة الحرارية التي تستخدم الفحم أو النفط أو الغاز أو الوقود النووي لتوليد الكهرباء

• مصافي النفط التي تعالج النفط الخام لإنتاج منتجات مختلفة مثل البنزين والديزل والوقود النفطي وغيرها

• المنشآت البتروكيميائية التي تنتج المواد الكيميائية من المواد الأولية البترولية أو الغاز الطبيعي

• محطات الغاز الطبيعي التي تعالج الغاز الطبيعي لإنتاج الغاز الطبيعي المسال (LNG) أو الغاز الطبيعي المضغوط (CNG) أو منتجات أخرى

ما هي مزايا وعيوب أبراج التبريد الطبيعية؟

بعض مزايا أبراج التبريد الطبيعية هي:

• لا تتطلب المراوح أو الأجهزة الميكانيكية الأخرى لاستدراك تدفق الهواء، مما يوفر الطاقة ويقلل الضوضاء

• لديها تكلفة تشغيل وصيانة منخفضة، حيث تحتوي على أجزاء متحركة أقل وتآكل أقل

• لديها خسائر نظام منخفضة، حيث تفقد أقل من 1% من معدل تدفق الماء الإجمالي بسبب التبخر

• لديها قدرة تبريد كبيرة، حيث يمكنها التعامل مع كميات هائلة من تدفق الماء

• لا يوجد لها إعادة تدوير للهواء، حيث تحتوي على منفذ مدخنة عالي يمنع الهواء الدافئ من العودة إلى البرج

بعض عيوب أبراج التبريد الطبيعية هي:

• تتطلب استثمارًا رأسماليًا كبيرًا في البداية، حيث أنها مكلفة في البناء والتركيب

• تتطلب مساحة كبيرة، حيث لديها قاعدة واسعة وارتفاع طويل

• من الصعب الحصول على إذن التخطيط لها، حيث لديها تأثير جمالي سلبي على المنطقة المحلية

• يعتمد أداؤها على سرعة واتجاه الرياح، حيث يمكن أن يؤثران على تدفق الهواء ونقل الحرارة

• هي عرضة لمشكلات التجمد في المناخات الباردة، حيث يمكن أن تسبب تكوين الجليد على مادة الملء والحوض المائي ال