برج خنک کننده چیلر

چیلر یک دستگاه خنک کننده است که در برج‌ها و ساختمان‌ها برای خنک کردن هوا استفاده می‌شود. حرارت محیط توسط برج خنک کننده (برج خنک کننده چیلر) جذب می‌شود و سپس در کندانسور (Condenser) دفع می‌شود. برج خنک کننده چیلر وظیفه خنک کردن این بخش را بر عهده دارد. در چیلر، یک مبرد یا گاز از طریق یک سیکل تراکمی یا جذبی فشار و دما را افزایش می‌دهد. بنابراین در کندانسور، گرما به آب منتقل می‌شود و جریان آب، پس از جذب این حرارت، توسط برج خنک‌کننده به محیط خارجی منتقل می‌شود.

برج خنک کننده چیلر، یک منبع سرمایشی است که در مدار خنک کاری کندانسور چیلرهای آبی (جذبی یا تراکمی) استفاده می‌شود و وظیفه خنک کردن مبرد داغ و با فشار بالا خروجی از کمپرسور را برعهده دارد.

تفاوت چیلر با برج خنک کننده

چیلر و برج خنک کننده دستگاههایی مشابه هم هستند که وظایف مختلف در سیستم‌های خنک کننده آب را انجام می‌دهند. با این حال، تفاوت‌هایی بین آن‌ها وجود دارد.

چیلر: چیلر یک دستگاه خنک کننده است که برای خنک کردن آب در سیستم‌های تهویه مطبوع مرکزی و صنعتی استفاده می‌شود. این دستگاه از طریق یک سیکل تراکم یا جذب، گاز مبرد را فشرده و سپس آن را در کندانسور سرد می‌کند. در این فرآیند، آب در تماس با گاز سرد می‌شود و به عنوان آب سرد یا آب خنک در سیستم چیلر استفاده می‌شود. آب سرد شده می‌تواند به هواسازها یا فن کویل‌ها منتقل شده و با جذب گرمای محیط، فضا را سرد کند.

برج خنک کننده (کولینگ تاور): برج خنک کننده به عنوان یک دستگاه مجزا از چیلر در نظر گرفته می‌شود. عمدتاً برای خنک کردن آب در مدار کندانسور چیلر استفاده می‌شود. برج خنک کننده، آب سرد را از طریق تماس با هوا خنک می‌کند. در این دستگاه، آب سرد از بالا به پایین سقوط کرده و با تماس با جریان هوای سرد، گرمای خود را از دست می‌دهد و به صورت خنک‌شده به مدار کندانسور برگشت داده می‌شود. برج خنک کننده معمولاً در دماهای بالاتر از 25 درجه سانتیگراد مورد استفاده قرار می‌گیرد و به عنوان برج خنک کننده صنعتی نیز شناخته می‌شود.

به طور خلاصه، چیلر و برج خنک کننده (کولینگ تاور) در سیستم خنک کننده آب استفاده می‌شوند. چیلر برای خنک کردن آب در سیستم‌های تهویه مطبوع و صنعتی استفاده می‌شود، در حالی که برج خنک کننده برای خنک کردن آب در مدار کندانسور چیلر استفاده می‌شود.

کاربرد چیلر

در صنعت، استفاده از برج خنک‌کننده و چیلر به منظور کاهش دماها و ارائه سیستم‌های سرمایشی استفاده می‌شود، در فصول گرم، برای دستیابی به دماهای پایین‌تر از 25 درجه سانتیگراد، استفاده از برج خنک‌کننده مناسب نیست. در این مواقع، از چیلر‌های با سیکل‌های خنک‌کاری تراکمی یا جذبی استفاده می‌شود تا دماهای آب سرد تا حدود 5 تا 7 درجه سانتیگراد به دست آید. برخی صنایع مانند صنایع صابون‌سازی، نیاز به دستیابی به دماهای زیر صفر نیز دارند و در این حالت از چیلر‌های تراکمی با کمپرسورهای زیر صفر استفاده می‌شود.

برج خنک‌کننده در واقع منبع برودتی آب برای دستیابی به دماهای بسیار پایین محسوب می‌شود. با این حال، به دلیل هزینه‌های بالای آن، در تمامی سیستم‌های سرمایشی صنعتی از این تجهیز به طور کامل استفاده نمی‌شود و تلاش می‌شود تا به حد امکان با استفاده از برج خنک‌کننده آب را در صنعت و سیستم‌های تهویه مطبوع خنک کنیم.

انواع کندانسورهای چیلر تراکمی

کندانسورهای چیلر تراکمی از دو نوع هوایی و آبی تشکیل شده است. در حالت هوایی، کندانسور توسط هوای خارجی خنک می‌شود و از فن‌های جریان القایی استفاده می‌کند. در حالت آبی، کندانسور شامل یک مبدل پوسته و لوله است و برای خنک‌سازی از یک برج خنک کننده استفاده می‌شود. بنابراین، برج خنک کننده فقط در سیستم‌های کندانسور آبی استفاده می‌شود که نیاز به آب خنک دارند.

تن تبرید

تن تبرید (Refrigerant Ton) یک واحد معروف در علوم مهندسی است که میزان انتقال انرژی در زمان را نشان می‌دهد. این واحد واقعاً معادل میزان گرمایی است که برای ذوب یک تن یخ لازم است. تن تبرید معادل با واحدهای دیگری مانند کیلووات (kW) و بیتو بر ساعت (BTU/hour) است. این واحد بیشتر در تجهیزات سرمایشی مانند برج خنک کننده و چیلر استفاده می‌شود. ظرفیت سرمایش یا برودتی برج خنک کننده و چیلر اغلب با تن تبرید بیان می‌شود. هر تن تبرید یا تن سرمایشی در واقع معادل با 3.51 کیلووات و 12,000 بیتو بر ساعت است.

اشتباهات رایج در انتخاب برج خنک کننده برای چیلر

در طراحی و انتخاب برج خنک کننده یا کولینگ تاور برای چیلر، دو اشتباه رایج وجود دارد:

1. اشتباه رایج اول این است که برخی افراد، با توصیه مشاور یا تولید کننده چیلر، ظرفیت آب در گردش برج خنک کننده را به طور اشتباه با ظرفیت برودتی یکسان در نظر می‌گیرند. به عنوان مثال، یک برج خنک کننده که قادر به خنک کردن 100 تن آب در ساعت است، همیشه همان برج خنک کننده 100 تن تبرید را ندارد. رعایت این نکته ضروری است که ظرفیت برودتی هیچگاه با ظرفیت آب در گردش کولینگ تاور یکسان نمی‌باشد.
2. اشتباه رایج دوم این است که ظرفیت برج خنک کننده باید با ظرفیت چیلر یکسان باشد و همیشه کولینگ تاور باید دارای ظرفیت سرمایشی بیشتری نسبت به چیلر باشد. دلیل این موضوع به اصل حفظ انرژی برمی‌گردد، به این معنی که گرمای دفع شده در کندانسور چیلر (Qc) همواره بیشتر از گرمای جذب شده از اواپراتور (Qh) و کار ورودی (W) است. به طور ساده‌تر، Qc > Qh + W. بنابراین، برای تطابق با اصل حفظ انرژی، ظرفیت سرمایشی برج خنک کننده باید از ظرفیت سرمایشی چیلر بیشتر باشد.

قطعات کندانسور چیلر

اجزای اصلی سیستم کندانسور چیلر به شرح زیر است:

1. برج خنک‌کننده (Cooling Tower):
   برای تهیه آب سرد برگشتی برای چیلرهای آبی استفاده می‌شود. وظیفه آن تهیه آب سرد بازگشتی است که حرارت مبرد را به محیط بیرون منتقل می‌کند. بر اساس ظرفیت برودتی چیلر، میزان آب در گردش متفاوت است.
2. پمپ سیرکولاسیون (Circulation Pump):
   این پمپ آب را از برج خنک‌کننده به کندانسور چیلر جابجا می‌کند تا حرارت اضافی را جذب کند.
3. شیرهای تنظیمی (Valves):
   شیرها برای کنترل و تنظیم دبی آب در گردش در سیکل کندانسور چیلر و برج خنک‌کننده استفاده می‌شوند.
4. لوله‌کشی و اتصالات (Pipes and Connections):
   این اجزا برای انتقال آب و جرم معین در سیستم استفاده می‌شوند و شامل لوله‌ها و اتصالات موردنیاز است.
5. کندانسور (Condenser):
   کندانسور یک مبدل حرارتی است که حرارت مبرد داغ و فشار بالا خروجی کمپرسور چیلر را با آب سرد خروجی برج خنک‌کننده تماس می‌دهد.
6. دستگاه نرم‌کننده آب (Water Softener):
   این دستگاه برای کنترل میزان املاح سخت در آب تزریقی به برج خنک‌کننده چیلر استفاده می‌شود.
7. مخزن تزریق آب (Make-up Tank):
   این مخزن یا منبع آب تزریقی است که آب تبخیری درون برج خنک‌کننده چیلر را تأمین می‌کند و به حفظ تعادل جرمی در کندانسور کمک می‌کند.

لطفاً توجه داشته باشید که این اجزا برای سیستم کندانسور چیلر و برج خنک‌کننده آبی استفاده می‌شوند و ممکن است براساس نوع و مدل دقیق سیستم شما، ترکیب و ویژگی‌های دیگری نیز وجود داشته باشد. تصویر زیر نحوه قرار گیری برج خنک کننده و چیلر را در کندانسور نشان می‌دهد.

بررسی قرار گیری برج خنک کننده در کندانسور چیلر

در چرخه یک مبرد (گاز و سیال تبریدکننده)، هدف چیلر کمپرسور، فشرده سازی مبرد و افزایش فشار آن است. این عمل باعث کاهش دمای آب می‌شود که سپس به فن کویل منتقل شده و باعث خنک‌سازی محیط می‌شود. از نمودار P-T یا فشار-دما در یک نوع مبرد خاص می‌توان به راحتی مشاهده کرد که گاز خروجی از کمپرسور دارای فشار و دمای بالا است. افزایش دمای مبرد باعث کاهش راندمان چیلر در ورودی بخش اواپراتور می‌شود. این افزایش دما در مبرد باید توسط بخش کندانسور، قبل از ورود به اواپراتور، کاهش یابد. کاهش دمای گاز در چیلرهای آبی در یک مبدل حرارتی بین آب خنک و مبرد اتفاق می‌افتد. آبی که از بخش کندانسور چیلر گذشته و گرما را از مبرد جذب کرده است، باید توسط برج خنک‌کننده بازگردانده شود.

قطعات برج خنک کننده چیلر

اجزای اصلی برج خنک‌کننده چیلر شامل موارد زیر می‌باشد:

1. بخش هوادهی و توزیع هوا: این بخش شامل فن یا پروانه است که با وجود آن، فشار نسبی و جابجایی هوا ایجاد می‌شود. همچنین، در این بخش موتور یا مولد انرژی مکانیکی برای تأمین نیروی مورد نیاز برای چرخش فن و سیستم انتقال قدرت (شامل بخش کاهش سرعت زاویه‌ای موتور) قرار دارد.
2. بخش گردش آب یا آب‌رسانی: این بخش مسئول تقسیم، گردش و انتقال جریان و دبی مشخصی از سیال آب است. این بخش ممکن است شامل افشانک (نازل)، آب‌پخش‌کن (اسپرینکلر)، شناور، فلنچ، ولو، کویل، لوله و اتصالات جانبی باشد.
3. بخش سطوح تبادل انرژی و حرارت: در این بخش، سطوح خنک‌کننده یا تبادل گرما قرار دارند. نوع سطوح خنک‌کننده وابسته به نوع مدار بسته یا باز بودن کولینگ‌تاور است. این سطوح می‌توانند شامل کویل (شبکه‌ای از لوله‌های باریک) و یا پکینگ مدیا (شبکه‌ای متراکم جهت ایجاد سطح تماس بین آب و هوا) باشند. در واقع، این بخش به عنوان واسطه و میانجی‌گر بین جریان آب و هوا عمل می‌کند.
4. بدنه و فریم قرارگیری تجهیزات جانبی: این بخش شامل مخزن آب سرد خنک‌شده خروجی (تشتک یا بیسین)، پنل‌ها یا دیوارها، لوورها (کرکره ورود هوای خنک) و قسمت دهانه خروجی هوای گرم است. به بخش دهانه خروجی در برج خنک‌کننده چیلر، فن استک یا گلویی پروانه نیز گفته می‌شود.

انواع چیلر

انواع برج خنک‌کننده چیلر عبارتند از:

برج خنک‌کننده جریان مخالف (کولینگ تاور کانتر فلو)

در این نوع برج خنک‌کننده، جریان آب خروجی از نازل یا اسپرینکلر برابر با جریان هوا است و در جهت مخالف به هم رسیدگی می‌کنند. این برج‌ها می‌توانند به صورت مکعبی یا مخروطی باشند و سیستم پاشش آب در آن‌ها ممکن است از نازل کم فشار در برج‌های مکعبی و از نازلهای پرفشار چرخشی یا اسپرینکلر در برج‌های مخروطی استفاده شود.

برج خنک‌کننده جریان متقاطع (کولینگ تاور کراس فلو یا ابارا)

در این نوع برج خنک‌کننده، خنک‌کننده چیلر عمود بر جریان ریزش آب قرار دارد. این برج‌ها برای مناطق با رطوبت نسبی بالا مناسب هستند و جریان هوای خشک در ورودی به بخش سطوح خنک‌کننده تأمین می‌شود.

برج خنک‌کننده مکعبی (Cubic Counter Flow)

این نوع برج خنک‌کننده می‌تواند به صورت تک‌سلول یا چند سلولی در دو حالت مونتاژ درب کارخانه و مونتاژ در محل پروژه ارائه شود. این برج‌ها به دلایلی مانند تعمیر و نگهداری آسان، حمل و جابجایی آسان، راندمان بالا و رسوب‌گیری کمتر، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

برج خنک‌کننده مخروطی یا استوانه‌ای (Conic Counter Flow)

این نوع برج خنک‌کننده دارای ظاهری مخروطی یا استوانه‌ای است و سیستم پخش کنندگی آب آن به صورت پاشش چرخشی می‌باشد. به دلیل ابعاد بزرگ خود، قالباً به صورت مونتاژ در محل یا به صورت بار ترافیکی ارسال می‌شود.

برج خنک‌کننده مداربسته خشک (کندانسور هوا خنک)

این نوع برج خنک‌کننده به جای استفاده از آب، از سیستم کندانسور هوایی یا ایر کولر استفاده می‌کند. در این سیستم، هوای خارجی برای خنک کردن آب استفاده می‌شود. این نوع برج خنک‌کننده در مناطق با دمای خشک بالا و کمبود منابع آب ماز طرفی، برج‌های خنک‌کننده ممکن است بر اساس ساختار و نحوه عملکردشان به دسته‌های دیگری تقسیم شوند. به عنوان مثال:

برج خنک‌کننده خشک (Dry Cooling Tower)

در این نوع برج، هوای خارجی به صورت مستقیم با آب تماس نمی‌کند. برای خنک‌کردن آب، از یک سیستم حرارتی استفاده می‌شود که باعث تبادل حرارت بین آب و هوا می‌شود. این نوع برج‌ها به دلیل عدم نیاز به آب خنک، برای مناطق با کمبود منابع آب مورد استفاده قرار می‌گیرند.

برج خنک‌کننده ترکیبی (Hybrid Cooling Tower)

این نوع برج خنک‌کننده ترکیبی استفاده از برج خنک‌کننده خشک و برج خنک‌کننده تولیدی را ترکیب می‌کند. در شرایطی که دمای هوا مناسب است، از برج خنک‌کننده خشک استفاده می‌شود و در شرایطی که دمای هوا بالا است، از برج خنک‌کننده تولیدی استفاده می‌شود.

برج خنک‌کننده تولیدی (Evaporative Condenser)

این نوع برج خنک‌کننده معمولاً در سیستم‌های تهویه مطبوع و یا سیستم‌های خنک‌کننده صنعتی استفاده می‌شود. در این نوع برج، آب خنک‌کننده با استفاده از پمپ‌ها از بالای برج به صورت پراکنده بر روی سطوح خنک‌کننده ریخته می‌شود و با تماس با هوا تبخیر می‌شود که باعث خنک شدن آب می‌شود.

برج خنک‌کننده بسته (Closed Circuit Cooling Tower)

در این نوع برج خنک‌کننده، آب خنک‌کننده در یک مبدل حرارتی جداگانه از هوا قرار دارد و هوا با آب تماس نمی‌کند. این نوع برج‌ها برای کاربردهایی مناسب هستند که نیاز به حفاظت از آب در برابر آلودگی و یا تبخیر بیش از حد ندارند.

هر نوع برج خنک‌کننده مزایا و معایب خود را دارد و بسته به نیازها و شرایط مورد استفاده، انتخاب می‌شود.

معادلات و محاسبات برج خنک کننده چیلر

بخش اول) محاسبه ظرفیت برودتی برج خنک‌کننده چیلر

ظرفیت برودتی کولینگ تاور در سیستم خنک کاری چیلر تابعی از گرمای مورد نیاز دفع شده از چیلر به محیط می‌باشد. عموماً کندانسور در چیلر دارای ظرفیت بالاتری در انتقال حرارت است، که نشان می‌دهد ظرفیت برج خنک‌کننده همواره بزرگتر از بار سرمایشی چیلر است. برای محاسبه دقیق ظرفیت برودتی و توان گرمازدایی برج خنک‌کننده، از دو فرمول اساسی زیر استفاده می‌شود:

الف) 2 * ظرفیت برودتی چیلر از نوع جذبی = ظرفت برودتی برج خنک‌کننده

ب) 1.3 * ظرفیت برودتی چیلر تراکمی = ظرفیت سرمایشی برج خنک‌کننده

در واقع، چیلر جذبی به دلیل داشتن بخش ابزوربر یا جذب‌کننده، همواره نیاز به ظرفیت بیشتری از آب برای خنک‌کاری دارد. این موضوع به دلیل سیکل جذب آمونیاک و لیتیوم بروماید در جذب‌کننده رخ می‌دهد.

بخش دوم) محاسبه میزان آب در گردش در سیکل کندانسور

برای محاسبه میزان استاندارد آب در گردش در چیلرهای تراکمی و جذبی، به ازای هر تن تبرید بار برودتی چیلر، از دو فرمول اساسی زیر برای محاسبه دبی و جریان آب در گردش در کولینگ تاور استفاده می‌شود.

الف) دبی آب در گردش در برج خنک‌کننده (برحسب GPM) = 3 * ظرفیت برودتی چیلر جذبی

ب) دبی آب در گردش در برج خنک‌کننده (برحسب GPM) = Q / 5000، که در واقع Q همان ظرفیت برودتی چیلر برحسب Btu/h می‌باشد.

(GPM یا گالن بر دقیقه واحد دبی آب است، که واحدهای دیگر آن لیتر بر دقیقه و متر مکعب بر ساعت نیز می‌باشد.)

بخش سوم) محاسبه فشار پمپ سیرکولاتور در سیکل گردشبین کندانسور و برج خنک‌کننده چیلر

برای محاسبه هد و فشار پمپ سیرکولاتور برای گردش آب بین برج خنک‌کننده و کندانسور چیلر، از فرمول زیر استفاده می‌شود:

هد پمپ = افت فشار آب در برج خنک‌کننده + اختلاف فاصله نازل تا خروجی + افت فشار استاتیکی کندانسور + افت فشار کلکتور + (1.5 * طول لوله کشی بین برج و چیلر)

با استفاده از این فرمول، می‌توانید هد پمپ مورد نیاز برای گردش آب بین برج خنک‌کننده و کندانسور چیلر را محاسبه کنید.

اصول مهم در نصب و راه اندازی برج خنک کننده چیلر

در نصب و راه‌اندازی برج خنک‌کننده یا کولینگ تاور، لطفاً به موارد زیر توجه کنید:

1. رعایت دستورالعمل‌های نصب و استارت موردنظر تولیدکننده، همانند دفترچه نصب و راه‌اندازی.
2. رعایت استانداردهای نقشه‌های اجرایی لوله‌کشی، که باید با کاتالوگ چیلر مطابقت داشته باشد.
3. فراهم کردن فنداسیون مناسب برای نصب و استقرار برج خنک‌کننده.
4. انتخاب مکان مناسب برای نصب، مانند پشت بام یا فضای کاملاً آزاد.
5. استفاده از سختی‌گیر در مدار آب جبرانی (Row Water).
6. استفاده از ولو یا شیرهای تنظیم‌کننده جریان آب در خطوط رفت و برگشت کولینگ به چیلر.
7. استفاده از پمپ مناسب و بهره‌وری از پمپ رزرو به عنوان پشتیبان در مواقع ضروری.
8. استفاده از لرزه‌گیرها و اتصالات انبساطی جهت جلوگیری از ضربات جریان آب درون لوله‌ها.
9. نصب شیر یک‌طرفه در لوله‌های رانش پمپ‌های سیرکولاتور مدار کندانسور و برج خنک‌کننده.
10. از اتصالات جوشی و رزوه‌ای در مدار لوله‌کشی خودداری کنید.
11. لوله‌کشی رفت و برگشت آب خنک به چیلر و برج خنک‌کن را به صورت موازی انجام دهید.
12. رنگ‌آمیزی متفاوت برای لوله‌های رفت و برگشت آب گرم خروجی کندانسور (قرمز) و آب سرد خروجی کولینگ تاور (آبی) را در نظر بگیرید.
13. استفاده از شیر تنظیم جریان آب به منظور کنترل دبی آب سرد کندانسور.
14. استفاده از ترمومتر در مدار چرخش آب و بررسی دمای آب در سیکل خنک‌کاری چیلر توسط برج خنک‌کننده.
15. در لوله‌کشی مدار رانش و مکش پمپ، نصب فلنج‌های اتصالی را به دقت انجام دهید.
16. اطمینان حاصل کنید که شیرهای تنظیم جریان به درستی و با میزان کافی تنظیم شده‌اند.
17. تسمه‌های برج خنک‌کننده را در قسمت کاهش دور تست کنید تا نه به میزان زیاد

راهنمای خرید

برای خرید و سفارش انواع برج خنک کننده چیلر متناسب با کاربری صنعت خود، میتوانید با پایپ صنعت خاورمیانه تماس بگیرید و یا به دفتر مرکزی به صورت حضوری مراجعه کنید. تمام کولینگ تاورها و برج‌های ما گارانتی و خدمات پس از فروش دارند و به صورت مکتوب و در پیش فاکتور قید می‌شود. لازم به ذکر است کولینگ تاورهای شرکت پایپ صنعت به تمام ایران ارسال می‌گردد و در صورت نیاز کارفرما نصب و راه‌اندازی در محل هم انجام می‌شود.

همچنین برای کارفرمایانی که خارج از تهران هستند، سفارش، خرید و امور مربوط به برج‌های خنک کن، می‌تواند به صورت تلفنی انجام گیرد.