برج خنک کننده نیروگاه هسته ای
شکل ساختاری برج های خنک کننده هستهای
شکل برج های خنک کننده هسته ای معمولاً هذلولی است، به حدی که این شکل، به شکل آیکونیک نیروگاه های هسته ای درآمده است. انتخاب این شکل به این دلیل است که پهنای بالای آن، فرآیند تبخیر را سرعت میبخشد و همچنین که ماهیت شکل هذلولی این برج ها، راندمان برج را بالا میبرد؛ چرا که شکل هذلولی این برج به جریان هوای که از پایین برج به سمت بالای آن است کمک میکند. بنای کار جریان آن هم اختلاف فشار در ارتفاع های مختلف است. در حقیقت این شکل هندسی برج هذلولی است که واگرا و همگرا میشود و اختلاف فشار ایجاد میکند. در آخر باید یادآوری کرد که جریان طبیعی در برج خنک کننده هذلولی هسته ای، مصرف انرژی را کاهش میدهد و با ظرفیت بالای خود، راندمان بالایی را فراهم می کند. این راندمان بالا باعث میشود بیشترین اختلاف دمای میان آب ورودی و خروجی در همین برج ها دیده شوند.
برج های هذلولی از بتن و در ابعاد بسیار بزرگ ساخته میشوند و طبیعتاً هر چه ارتفاعشان بیشتر شود ظرفیت شان بالاتر می رود. برج های هذلولی از برج های پرهزینه اما مطمئن هستند که برای صنایع و مصارف حساس به کار گرفته می شوند.
تعمیر کولینگ تاور: مورد دیگری که به شکل این برج بازمیگردد، مدار بسته آن است. برج های خنک کننده از لحاظ ساختار مدار و مونتاژ به زیر دسته های تقسیم می شوند. جریان بسته در تمام مدت آب را به صورت مستقیم در تماس با هوا نمیگذارد و از کویل ها استفاده میکند. مبدل هایی که در برج خنک کننده گرد هذلولی از آنها استفاده میشود لوله و فین است که در تحتانی ترین سطح برج نصب می شوند که میتوانند از جنس مس یا فولاد گالوانیزه باشند.
مجموعاً بنا است که این شکل از برج، با کمترین هزینه، بالاترین ظرفیت و بیشترین بازده، جوابگوی نیروگاه های هسته ای در مقیاس بالا باشد.
نمای بیرونی برج خنک کننده هسته ای
در کاربری های مختصرتر مانند چیلرها به کار برده میشد، وظیفه خنک کردن کندانسور را داشت. در اینجا هم برج خنک کننده وظیفه خنک کردن کندانسور و علاوه بر این خنک کردن آب بویلرها و توربین ها در ابعاد بالا را دارد. به این معنا که آب گرم از کندانسور وارد برج شده و بعد درون برج کاهش دما مییابد و به صورت خنک شده دوباره وارد کندانسور میشود. اما اگر بخواهیم رد این آب گرم را پیدا کنیم، باز هم به فعالیت های گرماده نیروگاه میرسیم. با فعالیت های گرماده درون نیروگاه، حجم بالایی از بخار گرم تولید می شود. این بخار گرم وارد توربین شده و بعد وارد کندانسور و ژنراتور می شود. از آنجا هم به برج خنک کننده مداربسته میرسد.
جریان برج خنک کننده هسته ای هذلولی
به طور کل سه نوع جریان برای برج های خنک کننده موجود است:
- جریان طبیعی
- جریان مکانیکی (اجباری و القایی)
- جریان مرکب
برج خنک کننده هسته ای هذلولی شکل از جریان طبیعی برای انجام کار خود کمک میگیرد. به این معنا که در اینگونه برج ها از هیچ پروانه یا فن مکنده یا وسیله ای که باعث به جریان انداختن هوا شود استفاده نمیشود. هنگام اسپری شدن آب درون این برج، هوا به صورت طبیعی جریان مییابد. بنابراین در بعضی مواقع ممکن است که این جریان تحت تأثیر عوامل طبیعی قرار بگیرد. چرا که از هیچ وسیله مکانیکی کمکی ای برای جریان استفاده نمیشود. اما این اتفاقات با نظارت بالا روی عملکرد برج تا حد زیادی کنترل میشوند
ج خنک‌کننده یا برج خنک‌کن(به : Cooling tower) وسیله‌ای برای دفع آب مورد استفاده در به از طریق با هوا است. برج‌های خنک‌کن معمولاً با آب، حرارت ایجاد شده در یک واحد شیمیایی را دفع کرده و را تا دمای حباب مرطوب هوا پایین می‌آورند؛ البته باید در نظر داشت در برخی از برج‌های خنک‌کن با چرخه بسته که به برج خنک‌کن خشک مشهور هستند، کاهش دمای سیال سرویس صرفاً تا دمایی نزدیک به دمای حباب خشک هوا امکان‌پذیر است.
به عبارت ساده‌تر، برج خنک‌کننده سیستمی است که از آن به جهت خنک‌سازی آبی در فرایندهای سردسازی سیستم‌های تهویه مطبوع، پالایشگاه‌ها، نیروگاه‌ها و غیره استفاده می‌گردد.
از برج خنک‌کن در سیستم خنک‌کاری ، و سایر واحدهای شیمیایی مشابه، و سیستم‌های برای تهویه مطبوع ساختمان استفاده میشود. دسته‌بندی برج‌های خنک‌کن بر اساس نوع تماس هوا با آب صورت میگیرد؛ متداول‌ترین گونه‌های برج خنک‌کن بر اساس مکانیسم‌های جابه‌جایی طبیعی و جابه‌جایی اجباری تقسیم‌بندی میشوند.
از نظر ابعاد و اندازه، برج‌های خنک‌کن در مدل‌های کوچک پشت‌بامی برای ساختمان‌های مسکونی تا سازه‌هایی غول‌پیکر و (مانند برج‌های خنک‌کن نیروگاه‌ها که در شکل‌ها نشان داده شده‌است) که ارتفاعشان در حدود دویست متر و قطرشان در حدود یک‌صد متر میرسد، وجود دارند. همچنین نوعی از برج‌های خنک‌کن با شکل مستطیلی با ارتفاع تقریبی چهل متر و طول هشتاد متر نیز وجود دارد. در بیشتر موارد از برج‌های خنک‌کن هذلولی شکل در استفاده میشود؛ هرچند که در برخی از واحدهای شیمیایی بزرگ و سایر واحدهای صنعتی نیز از آنها استفاده میشود. در مقابل این برج‌های خنک‌کن عظیم‌الجثه که در صنایع خاصی به کار گرفته میشوند، اکثریت قریب به اتفاق برج‌های خنک‌کن تجهیزات کوچک هستند که در کنار واحدهای مختلف صنعتی یا مسکونی برای به کار می‌رود.
برج‌های سیستم توزیع و پخش آبگرم دارند که آب را به صورت یکنواخت روی شبکه مشبک نزدیک به هم می‌پاشد. این شبکه‌ها آکنه یا پرکننده نامیده میشود. آکنه‌ها آب سرازیر شده از بالای برج را با هوایی که از میان آن حرکت میکند کاملاً مخلوط کرده به‌طوری‌که آب به صورت یک قطره از یک آکنه به سطح آکنه دیگر توسط نیروی خود می‌ریزد. هرچند در این برج‌ها مقداری محسوس از آب به هوا وجود دارد ولی تقریباً اثر خنک‌کنندگی تماماً از تبخیر قسمتی از آب اسپری شونده در برج حاصل میشود. بخار حاصل از فرایند تبخیر در برج توسط جریان هوایی که یک دمنده ایجاد میکند از برج خنک کن خارج میشود. با توجه به این که دماو هوای از برج افزایش مییابد بدیهی است که میزان تأثیر برج خنک کن تا حد زیادی به درجه حرارت مرطوب هوای ورودی بستگی دارد و با کاهش آن افزایش مییابد.
برج خنک کن (با جریان هوای متقاطع)
کاربرد برج‌های خنک‌کننده به ، آغاز و اختراع برای استفاده در برمی‌گردد. در چگالنده‌ها سیال شونده غالباً آب است؛ به این صورت که آب با گرفتن گرمای بخاری که از خروجی یا به چگالنده رسیده‌است، بخار را به حالت مایع تبدیل میکند. وجود این مرحله در چرخه موتور بخار باعث بخار خروجی میشود، ولی در عوض مصرف بخار و در نتیجه مصرف سوخت را کاهش میدهد و هم‌زمان سیستم را نیز بالا میبرد. البته باید در نظر داشت که چگالنده‌ها در عمل نیاز به برج خنک‌کن به نسبت بزرگی دارند و در صورت عدم وجود برج خنک‌کننده، استفاده از آنها اقتصادی نیست؛ چرا که هزینه‌های فراهم کردن آب بیش از سرمایه ذخیره شده از صرفه‌جویی انرژی میشود. فارغ از موتورهای آبی که فراهم کردن آب هزینه‌ای برای آنها محسوب نمیشود و استفاده از چگالنده بدون برج خنک‌کن امری عادی است، استفاده از چگالنده و برج خنک‌کن موضوعی حساس در صنعت به‌شمار می‌رود. با آغاز قوانین و روش‌های فراوانی در زمینه چرخه‌های دارای برج خنک کن برای مناطقی که با مشکل کم‌آبی رو به رو بودند، طرح‌ریزی شد و احداث برج خنک‌کننده را وابسته به نظر آن منطقه و کم و کیف منابع آبی آن منطقه کرد. در مناطقی که منابع آبی قادر به فراهم کردن آب برج خنک‌کن هستند، از سیستم حوضچه‌های آبی استفاده میشود و در مناطقی که محدودیت منابع دارند، مثل شهرهای بزرگ، از برج‌های خنک‌کننده استفاده میشود.
این برج‌ها اغلب در پشت بام ساختمان‌ها یا به صورت سازه‌ای مجزا در کنار ساختمان اصلی قرار می‌گیرند و هوا به کمک و مکانیسم جابه‌جایی اجباری یا به طریق مکانیسم جابه‌جایی آزاد به جو منتقل میشود. در کتاب از سال ۱۹۱۱ مطلبی در این زمینه به این صورت آمده‌است: «با استفاده از یک پوسته تخت یا دوار از ورقه نازک، لوله دودکش در راستای عمودی تا جای ممکن کوچک تعبیه شود. (ارتفاع ۲۰ تا ۴۰ فوت) در پشت بام مجموعه‌ای از تشت‌ها برای پخش شدن آب مورد نیاز چگالنده قرار می‌گیرند و آب به درون آنها پمپ میشود. آب درون تشت‌ها بر روی حصیری از جنس چوب به صورت قطره‌ای ریخته میشود تا فضای درون برج را پر کند.»
در اوایل قرن بیستم، اولین نمونه‌های برج خنک کن با استفاده از کاهش دمای ناشی از تبخیر ابداع گردید. برج‌های خنک‌کننده اولیه، دارای سیستم بسیار ساده ای بودند که در آن آب از ارتفاع مشخصی به داخل برج خنک کن پاشیده میشد و به واسطه برخورد با هوا خنک می‌گردید.
واژه برج خنک کن (برج خنک‌کننده یا کولینگ تاور) نیز به واسطه شکل هندسی اولیه این تجهیز بر روی آن گذاشته شد. در حقیقت در کولینگ تاورهای اولیه، یک سازه مرتفع به شکل برج، برای افزایش زمان برخورد هوا با آب خنک کاری طراحی میشد و به دلیل عدم وجود فن و موتور، جریان هوا در داخل برج‌های خنک کن به صورت طبیعی بود.
در تصویر ذیل نمونه ای از اولین برج خنک کن (کولینگ تاور) مشاهده می‌گردد.
با پیشرفت تکنولوژی در اواخر دهه ۹۰ و ابتدای قرن ۲۰ ام و به خصوص اختراع موتور احتراق داخلی و برق برای مصارف صنعتی، روند توسعه و رشد کارخانجات تسریع گردید. در این زمان مورد استفاده برج‌های خنک کن به خنک کاری نیروگاه‌ها و خطوط تولید تغییر یافت.
بهره‌گیری از موتورهای الکتریکی صنعتی و فن، موجب ابداع برج‌های خنک کن با جریان هوای اجباری (مکانیکی) گردید که دارای راندمان بیشتری بودند و در عین حال فضای کمتری اشغال می‌کردند.
در اواسط قرن بیستم که صنعت ساختمان دچار تحولاتی عمده ای گشت و ساخت برج‌های مسکونی در دنیا رواج یافت، برج خنک کن پکیج برای استفاده در سیستم‌های تهویه مطبوع (گرمایشی و سرمایشی HVAC رواج پیدا کرد.
کولینگ تاورهای اولیه پکیج، از فن سانتروفیوژ بهره می‌بردند و بدنه آنها عمدتاً فلزی بود. با گذشت زمان و افزایش توانمندی‌های در حوزه کامپوزیت، برج‌های خنک کن فایبر گلاس به مرور وارد بازار شدند.
مزیت فایبر گلاس، مقاومت در برابر رسوب و و از بین رفتن معضل زنگ زدگی در بدنه برج خنک‌کننده بود. همچنین قطعات کامپوزیت فایبر گلاس از استحکام نسبتاً بالایی نیز برخوردار بودند. مزایای این نوع برج خنک‌کننده موجب گشت که استفاده از آن در واحدهای صنعتی نیز رواج یابد. با این وجود در شرایطی که دبی آب در گردش بالا بود، همچنان از برج‌های خنک کن Field Erected یا مونتاژ در محل استفاده میشد.
اجزاء مهم برج خنک کن‌ها عبارتند از:
۱- فن برج خنک‌کننده
فن‌ها نقش مهمی در خنک‌سازی دارند و از نوع یا می‌باشند.
فن‌های مورد استفاده در برج‌های خنک‌کننده، از لحاظ فرم هندسی و نحوه تولید به صورت کلی به سه دسته اصلی تقسیم میشوند.
۱- فن ضربی برج خنک‌کننده:
این فن‌ها با قطر بین ۰٫۵تا۱٫۲متردرحالتکلیازورقهفولادیساختهشدهوتوسطقالبپرستولیدمی‌گردند.
این نوع فن کولینگ تاور در صورتیکه از تولیدکنندگان معتبر خریداری شود از لحاظ قیمت و کیفیت در بازه مناسبی قرار دارد. باید در نظر داشت با توجه به جنس فن و روش تولید، این نوع فن در قطر بیش از ۱ متر دچار لرزش خواهد شد و به همین دلیل دارای محدودیت ابعاد است.
۲- فن پروفیل ایر فویل کولینگ تاور:
همانگونه که از نامشان پیداست این فن‌ها دارای پروفیل ایرفویل می‌باشند و در طول فن، فرم پروفیل و ابعاد هندسی آن ثابت است (به جز بخش انتهایی که در آن قسمتی از یال، بریده شده‌است). جنس این نوع فن برج خنک کن عمدتاً از پروفیل آلومینیوم است که با روش اکسترود و پولترود تولید میشود. دلیل استفاده از آلومینیوم در پره فن برج خنک کن، استحکام مناسب نسبت به وزن کم، دمپ کردن و مقاومت بالا در مقابل خوردگی است.
بازه ابعادی معمول فن آلومینیوم کولینگ تاور از قطر ۰٫۸مترتا۳مترمی‌باشد. این فن‌ها دارای قیمت کمتری نسبت به فن‌های کامپوزیتی (نوع سوم فن محوری) هستند لیکن معایب خاص خود را نیز دارند.
۳- فن پروفیل ایر فویل با فرم پروفیل متغیر (فن کامپوزیت برج خنک کن):
فن کامپوزیت فایبر گلاس گلاس کولینگ تاور که سابقه تولید آن از دو نوع قبلی کمتر است علاوه بر دارا بودن پروفیل ایرفویل، به دلیل چرخش پروفیل در شعاع فن و تغییر زاویه حمله، دبی یکنواخت تری نسبت به دو نوع قبلی دارد، و به همین دلیل سرعت خطی لبه این نوع فن تا ۶۰ قابل قبول می‌باشد.
از مهم‌ترین مزایای فن فایبر گلاس پروفیل ایرفویل برج خنک‌کننده، می‌توان به مصرف انرژی و وزن کمتر آن نسبت به نمونه‌های دیگر، صدای تولیدی کمتر و میزان هوادهی بیشتر اشاره کرد.
۲- پکینگ یا مدیا
برای افزایش تبادل حرارتی بین جریان در داخل برج خنک کن از پکینگ‌ها استفاده می‌گردد که با افزایش سطح تماس جریان آب با هوا و همچنین کاهش سرعت جریان آب، در خنک‌سازی جریان آب نقش مؤثری دارند. پکینگ‌ها به صورت شبکه‌ای بوده و در دو نوع غشایی(Film Packing) و اسپلش