برج خنک کننده برای مبدل حرارتی | راهنمای انتخاب کولینگ تاور جهت خنک کاری Heat Exchanger

در بسیاری از فرآیندهای صنعتی، کنترل دمای سیالات نقش مهمی در افزایش راندمان تجهیزات و جلوگیری از آسیب دیدن آن‌ها دارد. یکی از مهم‌ترین تجهیزاتی که برای این منظور استفاده می‌شود مبدل حرارتی (Heat Exchanger) است.

مبدل حرارتی یا هیت اکسچنجر گرما را از یک سیال به سیال دیگر منتقل می‌کند، اما در بسیاری از کاربردهای صنعتی برای دفع این گرما به یک سیستم خنک‌کننده کمکی نیاز دارد. در این شرایط برج خنک کننده(Cooling Tower)، ایرکولر یا چیلر وظیفه کاهش دمای آب در گردش را بر عهده گرفته و امکان عملکرد مداوم مبدل را فراهم می‌کنند.

در این مقاله با انواع مبدل‌های حرارتی، نحوه خنک‌کاری آن‌ها و معیارهای انتخاب برج خنک کننده مناسب آشنا می‌شویم.

مبدل حرارتی چیست؟

مبدل حرارتی تجهیزی است که انتقال حرارت بین دو سیال را بدون تماس مستقیم آن‌ها انجام می‌دهد. به عنوان مثال، روغن داغ یک دستگاه صنعتی می‌تواند در داخل مبدل توسط آب خنک شود، بدون آنکه دو سیال با یکدیگر مخلوط شوند.

این ویژگی باعث شده است که مبدل‌های حرارتی در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی، نیروگاه‌ها، صنایع غذایی، دارویی، فولاد و بسیاری از خطوط تولید مورد استفاده قرار گیرند. برای مطالعه مبانی نظری و اصول طراحی سیستم‌های انتقال حرارت، می‌توانید به ASHRAE Handbook مراجعه کنید.

انواع مبدل حرارتی

مبدل پوسته و لوله (Shell & Tube Heat Exchanger)

شل اند تیوب پرکاربردترین نوع مبدل حرارتی در صنایع سنگین محسوب می‌شود. در این مدل، یک سیال داخل لوله‌ها و سیال دوم در فضای بین پوسته و لوله‌ها جریان پیدا می‌کند.

به دلیل سطح تبادل حرارتی بالا و استحکام مناسب، این نوع مبدل برای فشار، دما و ظرفیت‌های بالا گزینه بسیار مناسبی است. هیت اکسچنجر شل اند تیوب معمولا فضای بیشتری اشغال می کند. دسته‌بندی و اصول طراحی مبدل‌های پوسته و لوله باید مطابق با توصیه‌های TEMA انجام شود.

مبدل صفحه‌ای (Plate Heat Exchanger)

در مبدل صفحه‌ای انتقال حرارت از طریق صفحات فلزی نازک انجام می‌شود. دو سیال از کانال‌های مجزا عبور کرده و بدون تماس مستقیم، گرما را بین یکدیگر منتقل می‌کنند.

به علت سطح انتقال حرارت زیاد، راندمان این نوع مبدل بسیار بالا است و بسیار حجم کمی دارد، اما نسبت به رسوب‌گذاری حساس‌تر بوده و معمولاً برای سیالات تمیز استفاده می‌شود.

کویل آب خنک و هوا خنک

کویل‌ها نیز یکی از انواع مبدل‌های حرارتی هستند.

در سیستم‌های هواخنک یا همان ایرکولر، گرما مستقیماً توسط جریان هوا دفع می‌شود، اما در سیستم‌های آب خنک، آب وظیفه جذب گرما را بر عهده دارد و سپس برای کاهش دما وارد برج خنک کننده می‌شود.

جدول مقایسه راندمان و ویژگی انواع مبدل حرارتی

برای انتخاب سیستم خنک‌کاری مناسب، درک تفاوت‌های عملکردی مبدل‌های پوسته و لوله با مبدل‌های صفحه‌ای اهمیت بالایی دارد:

نقش برج خنک کننده در خنک کاری مبدل حرارتی

در اکثر واحدهای صنعتی، آب پس از جذب گرمای مبدل حرارتی وارد کولینگ تاور می‌شود. برج خنک کننده با استفاده از فرآیند تبخیر، دمای آب را کاهش داده و آن را دوباره به مبدل بازمی‌گرداند.

در واقع یک سیکل بسته انتقال حرارت تشکیل می‌شود که به صورت مداوم گرمای تجهیزات را از فرآیند خارج می‌کند.

هرچه طراحی برج خنک کننده دقیق‌تر انجام شود، راندمان مبدل حرارتی نیز افزایش پیدا خواهد کرد. 

آیا برای همه مبدل‌های حرارتی باید از برج مدار بسته استفاده کرد؟

خیر.

یکی از باورهای اشتباه این است که برای هر مبدل حرارتی باید از برج خنک کننده مدار بسته استفاده شود.

در بسیاری از پروژه‌های صنعتی، برج خنک کننده مدار باز کاملاً پاسخگوی نیاز سیستم است و هزینه اولیه و هزینه بهره‌برداری کمتری نسبت به برج مدار بسته دارد.

در مقابل، زمانی که کیفیت آب اهمیت زیادی داشته باشد یا نباید هیچگونه آلودگی وارد مدار فرآیند شود، استفاده از برج مدار بسته انتخاب مناسب‌تری خواهد بود.

چگونه ظرفیت برج خنک کننده برای مبدل حرارتی محاسبه می‌شود؟

انتخاب کولینگ تاور تنها بر اساس ظرفیت اسمی مبدل انجام نمی‌شود.

برای طراحی صحیح لازم است ابتدا میزان گرمایی که باید از سیستم دفع شود محاسبه گردد.

اطلاعات مورد نیاز شامل موارد زیر است:

• ظرفیت  مبدل مبدل حرارتی

• دبی آب در گردش

• دمای آب ورودی و خروجی

• دمای Wet Bulb محل نصب

• شرایط آب و هوایی

• ضریب اطمینان طراحی

پس از مشخص شدن بار حرارتی، ظرفیت برج خنک کننده تعیین می‌شود تا بتواند حتی در گرم‌ترین روزهای سال نیز دمای مورد نیاز مبدل را تأمین کند. 

 در پروژه‌های صنعتی، معمولاً این محاسبات با استفاده از نرم‌افزارهای تخصصی طراحی کولینگ تاور انجام می‌شود تا علاوه بر دستیابی به ظرفیت مناسب، مصرف انرژی نیز به حداقل برسد. اصول انتخاب و ارزیابی عملکرد برج‌های خنک‌کننده برای مبدل های حرارتی باید بر اساس راهنماها و استانداردهای منتشرشده توسط CTI انجام شود.

فرمول محاسباتی ظرفیت مبدل حرارتی

برای تعیین ابعاد دقیق سیستم، ابتدا باید بار حرارتی (Heat Load) مبدل محاسبه شود. این بار محاسباتی بر اساس مشخصات سیال فرآیندی تعیین می‌گردد، با فرض اینکه سیال فرآیند آب باشد فرمول به این صورت خواهد بود:

Qexchengar=m*(Tin-To)*Cp

Qexchenger: بار حرارتی مبدل (کیلووات)

m: دبی جرمی سیال فرآیندی (کیلوگرم در ثانیه)

Cp: ظرفیت حرارتی ویژه سیال فرآیندی (برای آب حدود 4.2 کیلوژول بر کیلوگرم) 

Tin و To: دمای آب ورودی و خروجی سیال فرآیندی

رابطه تقریبی ظرفیت مبدل با ظرفیت برج خنک‌کننده 

یک اصل حیاتی در مهندسی خنک‌کاری این است که ظرفیت طراحی برج خنک‌کننده نباید دقیقاً برابر با بار حرارتی مبدل در نظر گرفته شود. در واقعیت، عواملی مانند اتلاف حرارتی در طول مسیر لوله‌کشی، کاهش تدریجی راندمان مبدل به دلیل رسوب‌گرفتن و پیک دمای تابستان، عملکرد سیستم را تحت تأثیر قرار می‌دهند. همچنین اگر عدد اپروچ و رنج در محدوده بحرانی باشند، فاکتور اندازه کولینگ تاور بسیار زیاد می شود.

به همین دلیل در شرایط عادی(رنج حداکثر 10 و اپروچ بالای 7 درجه سانتیگراد)، همواره ظرفیت نامی برج خنک‌کننده صنعتی با یک ضریب اطمینان (Safety Factor) بین 15الی 20درصد بالاتر از بار حرارتی مبدل محاسبه می‌شود. البته اگر از کولینگ تاورهای ارزان و تهویه مطبوع(تن تبریدی) استفاده می کنید، این ضریب ممکن است به 50 الی 70 درصد بالاتر از ظرفیت مبدل حرارتی برسد.

مثال هیت اکسچنجر صنعتی

برای پروژه ای صنعتی در یک کارخانه، لازم بود تا روغن هیدرولیک با دمای 52 درجه سانتی‌گراد وارد مبدل حرارتی شده و تا 38 درجه خنک می شد.

آب خروجی از برج خنک کننده وارد مبدل شده و گرمای روغن را جذب می کرد. سپس آب گرم‌شده مجدداً به کولینگ تاور بازمی گشت تا دمایش کاهش یافته و دوباره وارد مدار شود.

در چنین پروژه هایی، ظرفیت برج خنک کننده بر اساس بار حرارتی واقعی، دبی آب و شرایط اقلیمی طراحی می‌شود و انتخاب ظرفیت تنها بر اساس ابعاد مبدل روش درستی نیست.

با در نظر گرفتن دبی روغن معادل 100 متر مکعب در ساعت و توجه به این مطلب که ظرفیت حرارتی روغن هیدرولیک نزدیک به 2 کیلوژول در کیلوگرم بود، (اختلاف دمای 14درجه سانتیگراد) کارفرما درخواست کولینگ تاور مدار بسته با ظرفیت 250 تن نامی داشت. در ابتدا و بر اساس محاسبات و در نظر گرفتن ضریب اطمینان حدود 10 درصد ، بنظر میامد این انتخاب درست باشد. اما کارفرما به وت بالب و دمای اپروچ توجه نکرده بود. از آنجا که پروژه در بندرعباس بود ما کارفرما را از اشتباهی که رخ داده بود مطلع کردیم. 

همانطور که میدانید در برج خنک کن وت بالب بسیار مهم است و هر چقدر دمای آب خروجی به wet-bulb نزدیکتر شود(مقدار اپروچ کم باشد)، اختلاف تناژ عملکردی و تن تبرید واقعی بیشتر خواهد شد. در این پروژه چون دمای حباب تر بندر عباس نزدیک 32 درجه سانتیگراد بود، کولینگ تاور انتخاب شده نمی توانست دمای آب را حتی به نزدیک 38 درجه سانتیگراد برساند. ما با محاسبات کامل و براساس شرایط خاص پروژه توانستیم با یک برج خنک کننده مدار بسته به ظرفیت نامی 500 تن تبرید، و استفاده از کویل مسی صنعتی، دمای روغن  هیت اکسچنجر را به 38 درجه سانتیگراد برسانیم. 

توجه داشته باشد که اگر همین پروژه بجای بندرعباس در شهر کرمان، یزد یا اصفهان بود، کولینگ تاور صنعتی با ظرفیت 250 تن تبرید(به شرط کیفیت و طراحی و تولید اصولی) می توانست جوابگوی کارفرما باشد.

چالش رسوب (Fouling) در مبدل‌ حرارتی و راهکارهای حل آن

پدیده رسوب‌گذاری مستقیم‌ترین تأثیر منفی را روی راندمان مبدل‌های حرارتی دارد. هنگامی که از برج خنک‌کننده مدار باز یا استخر استفاده می‌شود، آب در اثر تبخیر مداوم، املاح خود را در مخزن باقی می‌گذارد که این امر منجر به بالا رفتن سختی و غلظت املاح آب (TDS) می‌شود. ورود این آب به مدار مبدل حرارتی موجب ایجاد لایه‌های رسوبی (کربنات کلسیم و منیزیم) روی سطوح تبادل حرارت می‌گردد.

• اثر رسوب در مبدل صفحه‌ای: به دلیل فاصله بسیار کم بین صفحات، رسوب آب به سرعت مجاری را مسدود کرده، دبی آب را کاهش می‌دهد و راندمان مبدل را به شدت افت می‌دهد. برای مبدل‌های صفحه‌ای، استفاده از آب با کیفیت بالا ضروری است.

• اثر رسوب در مبدل پوسته و لوله: رسوب مانند یک عایق حرارتی روی سطح خارجی یا داخلی لوله‌ها می‌نشیند و مانع از انتقال حرارت به آب می‌شود، هرچند که مقاومت مکانیکی این مبدل در برابر گرفتگی بالاتر از مدل صفحه‌ای است. اما مبدل شل اند تیوب هم بمرور زمان بر اثر رسوب، توان خنک کاری خود را کاهش می دهد.

راهکارهای مهندسی برای مقابله با رسوب در heat exchanger

1. استفاده از برج خنک‌کننده مدار بسته: مطمئن‌ترین روش برای مبدل‌های حساس (به‌ویژه مبدل‌های صفحه‌ای)، به‌کارگیری برج مدار بسته است. در این حالت، آب تمیز و بدون سختی درون یک کویل کاملاً بسته بین مبدل و برج سیرکوله می‌شود و هرگز در معرض هوای آزاد و تغلیظ املاح قرار نمی‌گیرد.

2. دستگاه ضد رسوب : سیستم ضد رسوب RM گزینه بسیار اقتصادی و کارآمد برای شرکت ها و کارخانجاتی است که برای خنک کاری مبدل حرارتی، از برج مدار باز استفاده می کنند. این پکیج ضد رسوب می تواند بخوبی از تشکیل رسوب های کربناتی در سیستم جلوگیری کرده و بمرور رسوبهای قدیمی را نیز از بین ببرد.

3. زیرآب‌کشی (Blowdown) و بهسازی آب: در صورت ناچار بودن به استفاده از برج مدار باز، باید سیستم بلودان اتوماتیک جهت کنترل TDS و تزریق دائم مواد شیمیایی ضد رسوب (Anti-scalant) به همراه سختی‌گیر در خط آرایش آب (Make-up) تعبیه شود. البته ما بصورت کلی دوزینگ پکیج را به عنوان راه حل صنعتی و دائم پیشنهاد نمی کنیم.

سوالات متداول(FAQ) در مورد مبدل حرارتی و خنک کاری آن

• آیا هر مبدل حرارتی به برج خنک کننده نیاز دارد؟

خیر. در برخی پروژه‌ها از ایرکولر یا منابع آب خنک استفاده می‌شود، اما در اکثر واحدهای صنعتی، برج خنک کننده اقتصادی‌ترین روش دفع حرارت محسوب می‌شود.

• آیا مبدل صفحه‌ای با برج مدار باز قابل استفاده است؟

بله. در بسیاری از پروژه‌ها مبدل صفحه‌ای همراه برج مدار باز استفاده می‌شود، اما کیفیت آب باید به گونه‌ای باشد که از تشکیل رسوب و گرفتگی صفحات جلوگیری شود.

• بهترین نوع برج خنک کننده برای مبدل پوسته و لوله چیست؟

پاسخ به ظرفیت سیستم، کیفیت آب، شرایط محیطی و دمای مورد نیاز بستگی دارد. در بسیاری از کاربردهای صنعتی، برج مدار باز انتخاب مناسبی است، اما در شرایط خاص ممکن است برج مدار بسته گزینه بهتری باشد.

• آیا ظرفیت مبدل و ظرفیت کولینگ تاور همیشه برابر است؟

خیر. ظرفیت برج خنک کننده بر اساس بار حرارتی، شرایط اقلیمی و پارامترهای طراحی تعیین می‌شود و الزاماً با ظرفیت اسمی مبدل یکسان نیست.

• در چه شرایطی برای خنک کردن مبدل حرارتی از ایرکولر استفاده می شود؟

معمولا در زمانی که دما بالای 55 تا 60 درجه سانتیگراد باشد، استفاده از ایرکولر گزینه مناسبی خواهد بود.

جمع‌بندی

برج خنک کننده و مبدل حرارتی دو تجهیز مکمل در سیستم‌های خنک‌کاری صنعتی هستند. مبدل وظیفه انتقال حرارت از سیال فرآیندی را بر عهده دارد و کولینگ تاور گرمای جذب‌شده را از آب مدار دفع می‌کند.

انتخاب صحیح نوع برج خنک کننده، ظرفیت مناسب، کیفیت آب و شرایط بهره‌برداری، تأثیر مستقیمی بر راندمان سیستم، مصرف انرژی و عمر تجهیزات خواهد داشت.

اگر برای انتخاب یا طراحی برج خنک کننده مناسب مبدل حرارتی نیاز به مشاوره دارید، کارشناسان RMS Cooling آماده ارائه خدمات طراحی، محاسبات و انتخاب کولینگ تاور متناسب با شرایط پروژه شما هستند.

09124780268
info@rms-cooling.ir

منابع علمی

اطلاعات این مقاله با استفاده از منابع تخصصی حوزه انتقال حرارت و سیستم‌های خنک‌کاری صنعتی گردآوری و تطبیق داده شده است. در تهیه مطالب، مفاهیم و توصیه‌های منتشرشده توسط مراجع معتبر بین‌المللی در زمینه طراحی برج‌های خنک‌کننده و مبدل‌های حرارتی مدنظر قرار گرفته است.

• Cooling Technology Institute (CTI)
• ASHRAE Handbook – HVAC Systems and Equipment
• Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA)
• Perry's Chemical Engineers' Handbook