نوعی از مبدل حرارتی که با تماس مستقیم آب با هوا آب را خنک میکند، برج خنکسازی طبیعی است. این نوع برج در نیروگاهها، پالایشگاههای نفت، کارخانههای پتروشیمی و نیروگاههای گاز طبیعی برای حذف گرمای اضافی از سیستم آب چرخان استفاده میشود. برج خنکسازی طبیعی از اصل جریان محدب برای فراهم کردن تداوم هوایی استفاده میکند و نیازی به مراوح یا دستگاههای مکانیکی ندارد. جریان هوا توسط تفاوت چگالی بین هوای گرم و مرطوب داخل برج و هوای خنکتر و خشکتر محیط اطراف برج ایجاد میشود.
اصول کاری اساسی برج خنکسازی طبیعی در نمودار زیر نشان داده شده است:
اجزاء اصلی برج خنکسازی طبیعی عبارتند از:
ورودی آب گرم: این جایی است که آب گرم از سیستم یا م.Condenser به بالای برج وارد میشود. ورودی آب گرم به یک سری نوکلهای متصل شده است که آب را روی ماده پرکننده پخش میکنند.
ماده پرکننده: این یک ماده پسامته است که سطح زیادی برای انتقال حرارت بین آب و هوا فراهم میکند. ماده پرکننده میتواند از چوب، پلاستیک، فلز یا سرامیک ساخته شده باشد. ماده پرکننده میتواند به صورت لایههای ضربهای، شبکهها یا بستههای فیلمی تنظیم شود.
مخزن آب سرد: این جایی است که آب خنکشده در پایین برج جمع میشود. مخزن آب سرد دارای یک شیر تخلیه و یک پمپ است که آب را به سیستم یا م.Condenser برمیگرداند.
ورودی هوا: این جایی است که هوا تازه از پایین برج وارد میشود. ورودی هوا میتواند باز یا بسته باشد، بسته به طراحی برج.
خروجی هوا: این جایی است که هوا گرم و مرطوب از بالای برج خارج میشود. خروجی هوا میتواند دارای پخشکننده یا استک باشد تا جریان هوا را بهبود بخشد.
فرآیند خنکسازی آب در برج خنکسازی طبیعی شامل دو مکانیزم اصلی است: انتقال حرارت قابل اندازهگیری و انتقال حرارت پنهان.
انتقال حرارت قابل اندازهگیری: این زمانی است که حرارت از آب گرم به هوا سرد با تماس مستقیم منتقل میشود. در نتیجه، دماهای هر دو مایع تغییر میکند، اما فاز آنها تغییر نمیکند. انتقال حرارت قابل اندازهگیری به عواملی مانند تفاوت دما، دبی جریان و سطح تماس بستگی دارد.
انتقال حرارت پنهان: این زمانی است که حرارت از آب گرم به هوا سرد با تبخیر منتقل میشود. در نتیجه، بخشی از آب فاز خود را از مایع به بخار تغییر میدهد و در حال جذب حرارت از محیط اطراف است. انتقال حرارت پنهان به عواملی مانند نسبت رطوبت، فشار بخار و ضریب انتقال جرم بستگی دارد.
ترکیب انتقال حرارت قابل اندازهگیری و پنهان آب را خنک میکند و هوا را گرم میکند. آب خنکشده به مخزن آب سرد در پایین برج میریزد، در حالی که هوا گرم به دلیل شناوری به خروجی هوا بالا میرود. اثر شناوری یک جریان طبیعی ایجاد میکند که هوا تازه را از ورودی هوا جذب میکند و یک چرخه پیوسته خنکسازی ایجاد میکند.
برجهای خنکسازی طبیعی میتوانند بر اساس تنظیمات خود به دو نوع تقسیمبندی شوند:
برجهای خنکسازی طبیعی ضد جریان: در این برجها، آب به سمت پایین جریان دارد و هوا به سمت بالا در جهات مخالف جریان دارد. این امر اجازه میدهد تا تفاوت دمایی بالاتر و کارایی خنکسازی بالاتری داشته باشند. با این حال، این برجها نیاز به ارتفاع بیشتر و نوکلهای پخشکننده بیشتری نسبت به برجهای جریان متقاطع دارند.
برجهای خنکسازی طبیعی جریان متقاطع: در این برجها، آب به سمت پایین جریان دارد و هوا به صورت افقی در جهات عمود بر هم جریان دارد. این امر اجازه میدهد تا ارتفاع کمتر و نوکلهای پخشکننده کمتری نسبت به برجهای ضد جریان داشته باشند. با این حال، این برجها تفاوت دمایی کمتر و کارایی خنکسازی کمتری نسبت به برجهای ضد جریان دارند.
جدول زیر برخی از مزایا و معایب هر نوع را خلاصه میکند:
نوع |
مزایا |
معایب |
ضد جریان |
تفاوت دمایی بالاتر کارایی خنکسازی بالاتر توزیع بهتر آب کمتر آسیبپذیری نسبت به یخزدگی |
ارتفاع بیشتر هزینه بیشتر نوکلهای پخشکننده بیشتر آسیبپذیری نسبت به رسوبگذاری |
| جریان متقاطع | ارتفاع کمتر هزینه کمتر نوکلهای پخشکننده کمتر کمتر آسیبپذیری نسبت به رسوبگذاری | تفاوت دمایی کمتر کارایی خنکسازی کمتر توزیع ضعیفتر آب بیشتر آسیبپذیری نسبت به یخزدگی |
شکل زیر تفاوت بین برجهای خنکسازی طبیعی ضد جریان و جریان متقاطع را نشان میدهد:
برجهای خنکسازی طبیعی معمولاً برای کاربردهایی که نیاز به موارد زیر دارند، ترجیح داده میشوند:
ظرفیت خنکسازی بزرگ و ثابت در طول سالهای زیاد
هزینههای عملیاتی و نگهداری کم
سطح نویز و مصرف انرژی کم
مقاومت بالا نسبت به بارهای بادی و فرسودگی
برخی از نمونههای کاربردهایی که از برجهای خنکسازی طبیعی استفاده میکنند عبارتند از:
نیروگاههای حرارتی که از زغال سنگ، نفت، گاز یا سوخت هستهای برای تولید برق استفاده میکنند
پالایشگاههای نفت که نفت خام را به محصولات مختلفی مانند بنزین، دیزل، سوخت هواپیما و غیره پردازش میکنند
کارخانههای پتروشیمی که مواد شیمیایی را از خامهای نفت یا گاز طبیعی تولید میکنند
نیروگاههای گاز طبیعی که گاز طبیعی را به گاز طبیعی مایع (LNG)، گاز طبیعی فشرده (CNG) یا محصولات دیگر پردازش میکنند
