برج خنک‌ کننده هیبریدی(Hybrid Cooling Tower)؛ راهکار کاهش مصرف آب

برج خنک کننده هیبریدی(کولینگ تاور هیبرید) امروزه به عنوان کارآمدترین راهکار برای کاهش مصرف آب در صنایع ایران، به ویژه در مناطق با اقلیم خشک شناخته می‌شود. در طراحی سیستم‌های کولینگ تاور هایبرید RMS، هدف اصلی به حداقل رساندن میزان تبخیر با استفاده از ترکیب دو حالت تبادل حرارتی خشک و تر است. این دستگاه‌ها نه تنها باعث صرفه‌جویی در منابع آبی می‌شوند، بلکه در فصول سرد سال با قطع جریان آب پاشش، هزینه‌های نگهداری را به شدت کاهش می‌دهند.
در ادامه مقاله به توضیح بیشتر در مورد این دستگاه می پردازیم.

​​​​​نحوه عملکرد برج خنک‌ کن هیبرید و مکانیزم کاهش تبخیر

احتمالا قبل از خواند این مقاله چند مورد از سوالهای زیر در ذهن شما بوجود آمده باشد.

-چگونه می توانیم مصرف آب برج خنک کن را کم کنیم؟
-راه صرفه جویی آب در کولینگ تاور چیست؟
-برای مناطق خشک سیستم سرمایشی مناسب است؟
-آیا می توان از بخار آب خروجی از Cooling tower مجددا استفاده کرد؟
-میزان کاهش مصرف آب در برج خنک کننده هیبریدی چقدر است؟
-قیمت کولینگ هیبریدی چقدر است؟

پاسخ این سوالها همگی با درک صحیح مفهوم برج خنک کننده هیبرید در ارتباط است. به همین دلیل، در این مطلب سعی کردیم توضیحات فنی و اقتصادی مناسب در مورد برج های خنک کن کم مصرف هیبریدی و سیستم های هوا خنک خدمت شما عزیزان ارائه کنیم.

مفهوم تکنولوژی هیبرید(Hybrid) در سیستم‌های سرمایشی

بهتر است اول از همه با مفهوم واژه هیبرید(Hybrid) بیشتر آشنا شویم. هیبرید در لغت به معنی ترکیب دو یا چند روش و یا رویکرد متفاوت است. این ترکیب با هدف بهبود راندمان و عملکرد کلی مجموعه و بهره بردن از مزیتهای هر روش انجام می شود. به عنوان مثال خودرو یا ماشین هیبریدی با ترکیبی از موتور احتراق داخلی و باتری کار می کند. با ترکیب این دو روش، یک وسیله نقلیه هیبرید می تواند مسافت بیشتری نسبت به انواع بنزینی یا برقی طی کند. در عین حال آلایندگی بسیار کمتری نیز دارد.

برج خنک کن هیبرید با ترکیب دو روش انتقال حرارت و دو کویل هوا خنک و آب خنک، مقدار متوسط تبخیر آب را کم می کند.
در حالت کلی برج های خنک کننده از لحاظ نحوه سرمایش آب، به سه گروه تقسیم می شوند: 
- کولینگ تاور خشک
- برج تر یا خیس
- کولینگ هیبرید

Hybrid cooling tower چطور کار می کند؟

برج خنک کن هیبرید یا دو گانه(Hybrid cooling tower)، ترکیبی از کولر هوایی خشک و برج خنک کن مدار بسته(آب خنک) است که در زمان اوج گرما از تبخیر آب، و در سایر ماههای سال از هوای محیط برای سرمایش سیستم استفاده می کند. 
مزیت اصلی برج خنک کن هیبرید، کاهش قابل توجه مصرف آب سالیانه است. شما به کمک کولینگ هیبرید و بر اساس شرایط پروژه(دمای آب ورودی و خروجی) و موقعیت جغرافیایی(دمای وت بالب و دمای محیط)، می توانید بین 40 تا 80 درصد، در تبخیر آب صرفه جویی کنید.
برج خنک کن هیبرید هزینه اولیه ساخت بالاتری دارد و در عین حال ابعاد آن بزرگتر از کولینگ تاور مدار بسته و مدار باز می باشد.

کاهش مصرف آب در کولینگ هیبریدی

روش کاهش مصرف آب در برج هیبرید بدین ترتیب است که سیال یا آبی که نیاز به سرد شدن دارد، ابتدا به بخش بالایی کولینگ تاور(کویل هوا خنک) وارد می شود. در این بخش آب یا سیال مورد نظر، ابتدا در کویل و توسط هوای محیط تا حدی سرد می گردد. این مرحله از کاهش دما در بسیاری از فصول سال کمک میکند تا درصد خنک کاری مورد نیاز توسط تبخیر، بمقدار چشمگیری کاهش یابد.
با توجه به اقلیم خشک و نیمه‌خشک ایران، در فصل‌های پاییز، زمستان و بهار و همچنین در طول شب، امکان صرفه‌جویی در مصرف آب بین ۴۰ تا ۸۰ درصد به صورت سالیانه وجود دارد. (همانطور که گفتیم مقدار دقیق این درصد صرفه جویی بر اساس شرایط دمایی و آب و هوایی در هر پروژه متفاوت خواهد بودو)
پس از گذر آب از مبدل هوایی، سیال به قسمت پایینی برج خنک کن هیبرید منتقل می گردد. در ادامه توسط نازل بر روی پکینگ پاشیده شده و یا داخل لوله های سیکل بسته آب خنک جریان خواهد داشت. در نهایت تا رسیدن دمای سیال به دمای ایده آل، تبخیر سطحی سیال را سرد می کند.
همانطور که توضیح دادیم در برج خنک کننده هیبرید بخاطر پایین بودن دمای هوای محیط در فصول پاییز، زمستان و بهار، درصد قابل توجهی از انتقال حرارت و سرمایش توسط سیستم کندانسور هوایی انجام می شود. به همین خاطر مصرف آب سالیانه Hybrid Cooling tower نسبت به سایر مدل های کولینگ تاور کمتر است. 

چرا برج خنک‌کننده هیبریدی مصرف آب را کاهش می‌دهد؟

برای درک دلیل کاهش مصرف آب در برج خنک‌کننده هیبریدی، باید به یک نکته مهم توجه کنیم: همانطور که گفتیم تمام بار حرارتی سیستم الزاماً نباید از طریق تبخیر آب دفع شود.
در یک سیستم خنک‌کاری تبخیری، برای دفع حرارت آب، بخشی از آب به جریان هوا منتقل و تبخیر می‌شود. اما در یک سیستم هیبریدی، امکان تقسیم بار حرارتی میان دو مکانیزم متفاوت وجود دارد:
انتقال حرارت محسوس به هوای محیط و انتقال حرارت همراه با تبخیر آب.
به همین دلیل، وقتی شرایط محیط برای سرمایش خشک مناسب باشد، بخشی از حرارتی که در یک برج تبخیری باید از طریق مصرف آب دفع شود، بدون نیاز به تبخیر آب از سیستم خارج خواهد شد.

رابطه بین بار حرارتی و مصرف آب

مقدار آب موردنیاز برای تبخیر، به میزان حرارتی که باید از طریق فرآیند تبخیری دفع شود وابسته است. بنابراین اگر بخشی از بار حرارتی توسط بخش خشک سیستم دفع شود، بار حرارتی باقی‌مانده برای بخش تبخیری کاهش پیدا می‌کند.
به صورت ساده می‌توان این مفهوم را چنین بیان کرد:
بار حرارتی کل = بار دفع‌شده به روش خشک + بار دفع‌شده به روش تبخیری
بنابراین در یک شرایط کاری مشخص، هرچه سهم بخش خشک از دفع حرارت بیشتر باشد، سهم بخش تبخیری کمتر خواهد شد و در نتیجه مقدار آب موردنیاز برای تبخیر نیز کاهش پیدا می‌کند.
این موضوع تفاوت مهمی با صرفاً افزایش راندمان یک برج تبخیری دارد. در برج هیبریدی، هدف فقط این نیست که همان مقدار بار حرارتی را با آب کمتری دفع کنیم؛ بلکه بخشی از بار حرارتی اساساً از مسیر تبخیر آب خارج نمی‌شود.

چرا میزان صرفه‌جویی آب کولینگ هیبرید در طول سال تغییر می‌کند؟

مقدار صرفه‌جویی آب در برج هیبریدی ثابت نیست، زیرا ظرفیت سرمایش خشک به شرایط هوای محیط وابسته است.
در یک روز سرد، هوای محیط می‌تواند بخش قابل توجهی از حرارت موردنیاز سیستم را دریافت کند. در چنین شرایطی سهم سرمایش خشک افزایش پیدا می‌کند و نیاز به عملکرد بخش تبخیری کاهش می‌یابد.
با افزایش دمای محیط، توانایی سیستم برای دفع حرارت به روش خشک کاهش پیدا می‌کند. در نتیجه سهم بیشتری از بار حرارتی به بخش تبخیری منتقل می‌شود.
بنابراین عملکرد یک برج هیبریدی را بهتر است به صورت یک طیف عملکرد در نظر گرفت، نه یک حالت ثابت:
شرایط سردتر → سهم بیشتر سرمایش خشک → مصرف آب کمتر
شرایط معتدل → ترکیب سرمایش خشک و تبخیری
شرایط گرم‌تر → سهم بیشتر سرمایش تبخیری → مصرف آب بیشتر
این ویژگی باعث می‌شود صرفه‌جویی واقعی آب در یک پروژه به جای اینکه فقط بر اساس یک دمای طراحی تعیین شود، به عملکرد سیستم در طول ساعات و ماه‌های مختلف سال وابسته باشد.

چرا درصد صرفه‌جویی سالیانه اهمیت بیشتری از صرفه‌جویی در یک ساعت دارد؟

ممکن است یک برج هیبریدی در یک شرایط آب‌وهوایی مشخص بتواند بخش بسیار بزرگی از بار حرارتی را بدون استفاده از آب دفع کند؛ اما این عدد به تنهایی نشان‌دهنده میزان صرفه‌جویی سالیانه پروژه نیست.
برای محاسبه صرفه‌جویی واقعی، باید شرایط عملکرد دستگاه در طول سال بررسی شود. عواملی مانند دمای خشک محیط، دمای حباب تر، دمای آب ورودی و خروجی، میزان بار حرارتی، ساعات کارکرد و نحوه کنترل سیستم می‌توانند سهم سرمایش خشک و در نتیجه مصرف آب را تغییر دهند.
به همین دلیل، ممکن است دو برج هیبریدی با ظرفیت حرارتی یکسان، اما در دو موقعیت جغرافیایی متفاوت، مقدار کاملاً متفاوتی صرفه‌جویی آب در طول سال داشته باشند.
در نتیجه، درصدهایی مانند ۴۰، ۶۰ یا ۸۰ درصد را نمی‌توان به عنوان یک مقدار ثابت برای تمام پروژه‌ها در نظر گرفت. درصد واقعی صرفه‌جویی باید بر اساس شرایط اقلیمی و پروفایل عملکرد همان پروژه محاسبه شود.
این موضوع یکی از مهم‌ترین نکات در امکان‌سنجی استفاده از برج خنک‌کننده هیبریدی است؛ زیرا ممکن است یک پروژه از نظر کاهش مصرف آب بسیار جذاب باشد، در حالی که برای پروژه‌ای دیگر، افزایش هزینه اولیه و تجهیزات اضافی توجیه اقتصادی کافی نداشته باشد.​​​​​​​

نحوه طراحی و تولید برج خنک‌کننده هیبریدی چه تأثیری در کاهش مصرف آب دارد؟

تا اینجا توضیح دادیم که میزان صرفه‌جویی آب در برج خنک‌کننده هیبریدی به شرایط عملکردی پروژه و همچنین شرایط آب‌وهوایی محل نصب وابسته است. اما یک عامل مهم دیگر نیز وجود دارد که گاهی کمتر مورد توجه قرار می‌گیرد: روش طراحی و سایزینگ خود سیستم هیبریدی.
برج هیبریدی فقط با اضافه کردن یک کویل هواخنک به یک برج خنک‌کننده معمولی، الزاماً به یک سیستم کم‌مصرف تبدیل نمی‌شود. میزان توانایی بخش خشک برای دفع حرارت باید متناسب با هدف پروژه، شرایط اقلیمی و میزان صرفه‌جویی مورد انتظار در مصرف آب طراحی شود.

تأثیر ظرفیت کویل هواخنک بر مصرف آب

یکی از مهم‌ترین پارامترهای طراحی، ظرفیت حرارتی کویل هواخنک است.
فرض کنید یک پروژه با هدف کاهش قابل توجه مصرف آب، به یک برج خنک‌کننده هیبریدی مجهز شود. اگر ظرفیت بخش هواخنک در طراحی کمتر از مقدار موردنیاز انتخاب شده باشد، کویل نمی‌تواند در شرایط مناسب محیطی سهم کافی از بار حرارتی را دفع کند.
در این حالت، حتی در فصل‌های سرد و معتدل که پتانسیل استفاده از سرمایش خشک وجود دارد، بخش تبخیری همچنان باید برای دفع قسمت قابل توجهی از بار حرارتی وارد مدار شود. نتیجه این است که مصرف آب واقعی دستگاه می‌تواند به میزان قابل توجهی بیشتر از مقدار مورد انتظار باشد.
از طرف دیگر، بزرگ‌تر کردن کویل بدون انجام محاسبات اقتصادی و ترمودینامیکی نیز راه‌حل مناسبی نیست. افزایش بیش از حد سطح کویل می‌تواند باعث افزایش ابعاد دستگاه، هزینه ساخت، وزن، افت فشار هوا و در نتیجه توان موردنیاز فن شود.
بنابراین هدف در طراحی یک برج هیبریدی مناسب، صرفاً انتخاب بزرگ‌ترین کویل ممکن نیست؛ بلکه باید ظرفیت بخش هواخنک در نقطه‌ای انتخاب شود که بین کاهش مصرف آب، هزینه اولیه و مصرف انرژی تعادل مناسبی ایجاد شود.

طراحی مناسب؛ تعیین سهم سرمایش خشک در سیستم هیبرید

در یک طراحی صحیح مهندسی، ابتدا باید مشخص شود که در شرایط مختلف سال چه مقدار از بار حرارتی می‌تواند توسط بخش خشک دفع شود و چه مقدار باید توسط بخش تبخیری تأمین شود.
به عنوان مثال، ممکن است هدف یک پروژه این باشد که در بخش قابل توجهی از ساعات سال، بخش هواخنک بتواند قسمت عمده بار حرارتی را دفع کند و سیستم فقط در زمان افزایش دمای محیط یا افزایش بار حرارتی از بخش تبخیری کمک بگیرد.
در این شرایط، ظرفیت کویل، سطح انتقال حرارت، دبی هوا، انتخاب فن و نحوه کنترل سیستم باید متناسب با همین هدف طراحی شوند.
بنابراین درصد صرفه‌جویی آب، تنها به وجود داشتن کویل هواخنک وابسته نیست؛ بلکه به این موضوع وابسته است که کویل در عمل چه مقدار از بار حرارتی را می‌تواند در طول سال از سیستم خارج کند.
به همین دلیل، هنگام بررسی پیشنهاد فنی یک برج خنک‌کننده هیبریدی، بهتر است به جای توجه صرف به ظرفیت اسمی دستگاه، از سازنده درباره ظرفیت واقعی بخش خشک، شرایط طراحی کویل و میزان بار حرارتی قابل دفع در دماهای مختلف محیط سؤال شود.
یک برج هیبریدی که به درستی طراحی و کنترل شده باشد، باید بتواند در شرایط مناسب محیطی، سهم سرمایش خشک را افزایش داده و به همان نسبت نیاز به سرمایش تبخیری و مصرف آب را کاهش دهد.

آیا برج خنک کن مدار بسته، همان کولینگ تاور هیبرید است؟

خیر، کولینگ تاور مدار بسته، یک عدد کویل آب خنک(بدون فین) دارد. اما برج هیبرید دارای دو مدل مختلف کویل می باشد. متاسفانه چند تولید کننده کم دانش با رویکرد صرف فروش محصول، در پیشنهاد های فنی و پیش فاکتور های خود برج خنک کن مدار بسته را به عنوان هیبرید معرفی می کنند و از غفلت مشتریان سوء استفاده می کنند. 
هر زمان با چنین ترفندهایی مواجه شدید، از تولید کننده بپرسید کولینگ پیشنهادی چند عدد کویل دارد و آیا کویل هوا خنک(فین دار) در زمان تحویل قابل مشاهده است یا خیر. برای کمک به تشخیص بهتر انواع کولینگ تاور، در ادامه سه نوع مدار باز، مدار بسته و هیبرید را با هم مقایسه می کنیم.

برج خنک کن مدار باز، مدار بسته و هیبرید در یک نگاه

سوالی که ذهن بسیاری از مخاطبان را درگیر می کند این است که کولینگ هیبریدی با مدار باز و برج مدار بسته چه اختلافهایی دارد و هر کدام برای چه شرایطی مناسبند؟ برای پاسخ به این موارد، ما جدولی مقایسه ای آماده کردیم.

جدول مقایسه برج خنک کننده هیبرید، مدار بسته و کولینگ باز 

برج خنک کن هیبرید برای چه دما و شرایطی توصیه می شود؟

این یک سوال کلیدی و بسیار مهم در بخش امکان سنجی(Feasibility study of cooling tower) است. کولینگ هیبرید بیشترین راندمان خود را زمانی دارد که اولا اختلاف دمای ورودی و خروجی یعنی رنج و همچنین مقدار اپروچ زیاد باشد. برای مثال اگر دمای ورودی برج را 50 درجه، دمای خروجی مورد نظر 35 درجه و وت بالب حدود 20 سانتیگراد درجه فرض کنیم، شرایط برای استفاده از Hybrid cooling tower مناسب است. 

کولینگ هیبرید برای چه پروژه هایی توجیه اقتصادی ندارد؟

اگر دمای آب ورودی به کولینگ تاور 35 درجه، دمای آب خروجی 29.5 درجه سانتیگراد و دمای حباب تر در حدود 25 درجه باشد، استفاده از کولینگ تاور هیبرید توجیه اقتصادی ندارد و صرفه جویی قابل توجهی در مصرف آب اتفاق نمی افتد. این اتفاق بیشتر در پروژه های تهویه مطبوع میافتد. توجه به این نکته بسیار مهم است که در تهویه مطبوع(خنک کردن چیلر) علاوه بر دمای پایین و اختلاف دمای ورودی و خروجی کم، شما عملا در پاییز و زمستان سیستم را خاموش می کنید. به همین دلیل بخش زیادی از صرفه جویی مصرف آب که در ماههای سرد سال بدست می آید، برای شما اتفاق نمی افتد.

آیا برج خنک کننده هیبریدی برای شما مناسب است؟

به طور کلی، خرید برج خنک کننده هیبریدی زمانی توجیه اقتصادی دارد که اختلاف دمای آب ورودی و خروجی (Range) و همچنین دمای ورودی بالا  باشد.
به این خاطر بهتر است قبل از اقدام به خرید، طرح امکان سنجی و نیاز سنجی برای استفاده از هایبرید کولینگ تاور با همکاری یک مشاور تهیه کنید. سپس بررسی کنید که آیا برج خنک کن هیبریدی برای کاربری مورد نظر شما مناسب است یا خیر؟
ما با استفاده از نرم افزارهای معتبر اروپایی و آمریکایی، و تجربه مناسب در صنایع مختلف، آماده ارائه خدمات مشاوره خرید و استعلام و طراحی کولینگ تاور هیبرید هستیم.

مزیت های اصلی برج خنک کننده هیبرید

·         صرفه‌جویی ۴۰ تا ۸۰ درصدی در مصرف منابع آب(بر اساس شرایط اقلیمی و ترمودینامیکی)
·         کاهش هزینه‌های تصفیه آب و مواد شیمیایی
·         امکان کارکرد کاملاً خشک و بدون آب در فصول سرد و خنک
·         امکان خنک کردن آب تا زیر دمای محیط در تابستان

انواع کولینگ تاور هیبرید

برج هیبرید را می توان به سه دسته مختلف تقسیم کرد. این سه دسته با توجه به نحوه کارکرد کولینگ تاور، طبقه بندی می شود. ارزانترین نوع که کمترین مقدار صرفه جویی در مصرف آب را هم دارد، سیستم کولینگ تاور هیبرید مدار باز است. در این هیبرید مدار باز، قسمت بالای برج تعدادی کویل هوا خنک دارد که پس از رد شدن آب از آنها، نهایتا بر روی فیلینگ ها پاشیده می شود. مقدار کاهش مصرف آب در این سیستم (هیبرید مدار باز)، بین 20 تا 60 درصد نسبت به متوسط مصرف سالیانه است. مشکل اصلی برج خنک کن هیبرید مدار باز، بوجود آمدن رسوب در بخش کویل های فین دار هوا خنک خواهد بود. ما در اکثر پروژه ها، کولینگ هیبرید مدار باز را توصیه نمی کنیم.
نوع دوم برج خنک کن هیبرید، سیستم مدار بسته است. در این مدل از کولینگ تاور آب پس از عبور از کویل هوا خنک، وارد کویل های تبخیری می شود که روی آن آب پاشیده خواهد شد. صرفه جویی در مصرف آب این نوع کولینگ تاور، بین 30 تا 75 درصد است. توجه داشته باشید که بزرگترین ویژگی برج هیبرید مدار بسته، جلوگیری از ایجاد هرگونه رسوب و خوردگی در مسیر سیال خواهد بود.
جدیدترین  نوع سیستم هیبریدی، برج خنک کن آدیاباتیک است که می تواند تا حدود 80 درصد از مصرف آب متوسط سالیانه را کاهش دهد. این سیستم برای پروژه هایی مناسب خواهد بود که در مناطق خشک مثل یزد، کرمان، اردکان، اصفهان، بافق، کاشان اجرا شده اند. البته کولینگ آدیاباتیک، برای کارکرد در دماهای پایین، چندان مناسب نیست.
برای کسب اطلاعات بیشتر و مشاوره در مورد برج خنک کننده هیبرید، با ما تماس بگیرید.
09124780268
info@rms-cooling.ir

تجربه های استفاده از برج خنک‌ کننده هیبرید

در این بخش می خواهیم، نمونه هایی از پروژه های مربوط به Hybrid cooling tower را به صورت case study با شما به اشتراک بگذاریم. هر یک از این پروژه ها، می تواند به عنوان یک مرجع مناسب برای امکان سنجی پروژه شما باشد.

چالش کاهش دما در خط تولید با حداقل مصرف آب

چگونه با یک برج خنک کن هیبرید، نیاز به دو دستگاه سری را برطرف کردیم.
یکی مشتریان ما، در خط تولید خود باید دمای آب را از 70 درجه سانتیگراد به 30 درجه میرساند. 
کارخانه ایشان در منطقه ای نسبتا خشک با کمبود آب دست و پنجه نرم می کرد. با توجه به دمای بالا کولینگ واتر، یکی از شرکت های مشاور، به ایشان استفاده از ایرکولر به همراه کولینگ تاور مدار بسته را به صورت سری پیشنهاد کرد. مشکل این پیشنهاد هزینه بالا و نیاز به فضای قابل توجه بود.
همچنین کاهش مصرف آب متوسط در مقایسه با کولینگ تاور مدار باز، حدود 40 درصد برآورد شده بود.

راهکار اجرا شده 

رویکرد اصلی ما در این پروژه، کاهش حداکثر مصرف آب و کم کردن فضای اشغال شده توسط دستگاه بود. ما یک کولینگ تاور هیبریدی مدار بسته(با کویل هوا خنک فین دار)، به مشتری تحویل دادیم. 
قیمت برج خنک کننده هیبریدی ساخته شده، 35% از مجموع قیمت ایرکولر به همراه برج خنک کننده مدار بسته کمتر شد. همچنین ما توانستیم با کمک سیستم کنترل هوشمند نصب شده روی کولینگ هایبرید، 73% در مصرف متوسط آب سالیانه صرفه جویی کنیم. 
علاوه بر تمام این موارد، زمان و هزینه تعمیرات و نگهداری نیز به مقدار قابل توجهی کاهش یافت.
ما در این پروژه از سیستم ضد رسوب برج خنک کن مدار بسته هم استفاده کردیم که به بهبود عملکرد ترمودینامیکی دستگاه انجامید.