برج خنک کننده هذلولی (hyperbolic cooling tower) یا همان برج خنک کن هایپربولیک، دستگاهی صنعتیست که به جهت خنک نمودن آبهای داغ صنعتی برای استفاده مجدد در چرخه‌های تولید، بکار گرفته میشود. استفاده از برج خنک کننده هذلولی (هایپربولیک) میتواند شدیداَ در کاهش مصرف آب موثر باشد و نیازهای ظرفیتی بزرگ انواع پالایشگاه‌ها، نیروگاه ها و مراکز هسته ای را به خوبی پوشش دهد. البته ساخت کولینگ تاور هیپربولیک، میتواند چالش های فراوانی را پیش روی کارفرمایان بگذارد. چالش هایی همچون: هزینه ساخت و نگهداری بالا، مدت زمان بالای فرآیند ساخت، دقت بالا در طراحی و…
طراحی برج خنک کننده هذلولی میتواند بصورت مکانیکی (با استفاده از فن) باشد. اما غالباَ نحوه‌ی مکش باد و سیستم خنکسازی در این تجهیزات، با روش جریان طبیعی صورت میگیرد. روش خنکسازی جریان طبیعی با بهره گیری از عملیات تبخیر، راندمان بالایی را در بحث خنک نمودن آبهای داغ صنعتی بوجود می آورد. در ادامه به بررسی همه جانبه روش های مختلف ساخت برجهای خنککن هایپربولوئید خواهیم پرداخت.
برج خنک کننده هذلولی مکانیکی است یا طبیعی؟
گاهاَ سیستمهای برج خنککن هذلولی (هایپربولیک) پیش‌کش به‌گونه‌ای طراحی میشوند که مکانیکی به نظر می‌رسند. اما برجهای هذلول واقعی از بادکش طبیعی (و نه فن!) برای کشیدن هوا به داخل سیستم استفاده میکنند. با این حال، برج های جریان طبیعی به ساختار برج بسیار بزرگی نیاز دارند که اغلب به ساخت و ساز بسیار گران قیمت تبدیل می شود. بنابراین وجود هزینه اولیه در این سیستمهای کولینگ غیرقابل انکار است. اما با این حال، انواع برج خنک کننده هایپربولیک یکی از مقرون بصرفه‌ترین برجهای صنعتی موجود هستند.
کاربردهای برج خنک کننده هذلولی (هایپربولیک)
هرکجا که صحبت از ظرفیت های خنک کاری بسیار بالا مطرح باشد، قطعاَ نام برج خنک کننده هذلولی (هایپربولیک) به میان می‌آید. انواع کاربری های حجیم و گرمازایی نظیر:
- نیروگاه های زغال‌سنگ
- نیروگاه‌های هسته‌ای
- پالایشگاه های پتروشیمی
- نیروگاه‌های برق
- شرکتهای فولادی و ذوب فلزات
- و نیروگاه‌های حرارتی و سیکل ترکیبی،
اغلب از این برج های خنکساز هذلولی استفاده میکنند. زیرا تولید انرژی الکتریکی این مجموعه ها، مقدار زیادی گرمای مازاد زیادی تولید میکند که به آبهای مورد نیاز تولید سرایت میکند و عدم خنکسازی آبهای گرم صنعتی، میتواند هزینه های مصرف آب را شدیداَ افزایش دهد. همچنین این موارد، نیاز به سرمایه‌گذاری اولیه بزرگ، بدون توجه به طراحی را بیش از پیش مشخص می‌سازد.
برجهای جریان طبیعی از اصل جریان همرفتی برای تامین گردش هوا استفاده میکنند. برجهای کششی طبیعی معمولاً بسیار بلند هستند تا جریان هوای کافی را القا کنند. طراحی و ساخت سیستم های خنکساز هایپربولوئید (hyperbolic cooling tower) بسیار پرهزینه و پردردسر است. در حقیقت از برج های هیپربولیک فقط برای کاربریهایی استفاده میشود که نیاز به سرمایش ثابت در طول سالیان متمادی مورد نیاز است. مانند نیروگاه های حرارتی یا مراکز انرژی هسته ای که پروژه موقت نبوده و هیچگاه تغییر مکان نمیدهند.
نحوه عملکرد برج خنک کننده هذلولی جریان طبیعی
مکانیزم و نحوه عملکرد برج خنک کننده هذلولی، شبیه به شیوه تبخیری سیستم های مدارباز می‌باشد. با این تفاوت که بدلیل عدم استفاده از فن و ساختار خاص هایپربولیک، در نحوه ورود و خروج هوا دارای تفاوت های بنیادینی هستند. شیوه عملکرد کولینگ تاور هایپربولیک جریان طبیعی بدین شکل است که:
آبهای جاری گسترده‌ی موجود در برج خنک کننده هذلولی ابتدا توسط نازل ها بر روی سطوح فیلر پاشش خواهد داشت. این آبها از بخش زیرین وارد دستگاه میشوند و به بخش فوقانی پمپاژ میگردند. ازسویی جریان هوا بطور جریان طبیعی از طریق دهانه های بزرگ برج وارد سیستم میشود. پس از تبادل گرمای مستقیم بین هوا و آب، جریان آب خنک شده و وارد بخش تشتک سیستم کولینگ میشود.
بدلیل چگالی کمتر، جریان هوای گرم به بالای برجها حرکت میکنند. اما چرا خروج هوای گرم در سیستم های هایپربولیک با سرعت بیشتری انجام میشود؟!. درواقع هنگامی که جریان هوای گرم به قسمت تورفته‌ی وسط برج میرسد، روند حرکتی به‌دلیل فشردگی سریعتر میشود. سپس حجم زیاد هوای مرطوب و پرحرارت با عبور از انحنای وسط و رسیدن به دهانه‌ی بزرگ فوقانی، به یکباره خروج پیدا میکنند.
گرچه که گرانش موجب میشود که سیالات در لایه های زیرین دستگاه باقی بماند. اما بیاد داشته باشید که در لایه های بالایی، مقادیر زیادی از آب به همراه بخار خارج میشوند. درنتیجه اتلاف آب در این سیستمها زیاد است و لزوم محاسبه و واردسازی آب جبرانی، نمود پیدا میکند.
آسانسور آیرودینامیک برج خنک کننده هذلولی
سیال داغ توسط عملیات تبخیر برجهای خنک کن، خنک می شود. همانطور که آب گرم تبخیر می شود و شروع به بالا رفتن در سازه بتنی می کند، اثر باریک شدن برج به افزایش سرعت لایه های موازی بخار بدون هیچگونه اختلال (که به آن جریان آرام گفته می شود) کمک می کند. از آنجایی که هوای گرم چگالی کمتری نسبت به هوای خنک دارد، براحتی در داخل سیستم بالا میرود. بخصوص به دلیل باریک بودن برج هایپربولیک (هایپربولوئید) در وسط ساختار خود.
حالا شاید از خودتان بپرسید:
اگر باریکی در مرکز به سرعت بخشیدن به جریان صعودی کمک می کند، پس چرا دهانه بالایی کولینگ تاور هذلولی آنقدر پهن است؟
قسمت بالای برجهای خنککن پهن می شود. زیرا این نقطه ای است که هوای گرم از داخل سیستم هایپربولیک پخش می شود و با هوای جو مخلوط می شود. بنابراین، ما می‌خواهیم ناحیه‌ای را که از طریق آن این انتشار انجام میشود، به حداکثر قطر دهانه برسانیم. بدین ترتیب بخار داغ بیشتری به سرعت با محیط بیرونی مخلوط میشود و کل فرآیند خنکسازی کارآمدتر میگردد.
شکل ساخت برج خنک کننده هذلولی
مدلهای مختلف برج خنک کننده هذلولی جریان طبیعی، به دلایل متنوعی شکل بسیار منحصر به فردی دارند.:
- دلیل اول این است که شکل هذلولی، مقدار مصالح ساختمانی مورد نیاز هنگام ساخت چنین برج بزرگی را کاهش می دهد. درواقع تورفتگی های این برجها کمک میکند تا مصالح کمتری در ساخت بکار رود. درنتیجه هزینه های ساخت برج خنک کن هایپربولیک کاهش می یابد.
- دلیل دوم این است که شکل پارابولوئید برج، باعث تسریع جریان هوا در برج می شود. بناربراین ظرفیت خنک کنندگی برجها را افزایش می دهد.
- علت سوم، مربوط به تأثیر شکل هایپربولوئید بر استحکام کلی ساختار برج خنک کننده هذلولی است. از آنجایی که برجهای خنک کن قرار است سیال را تا دمای پایین خنک کنند، بخارات را از طریق دهانه بالای برج وارد جو می کنند. بنابراین، این برجها باید به اندازه کافی بلند باشند (بلندی آنها میتواند به بیش از 200 متر برسد!).
در غیر این صورت، بخار منتشر شده ممکن است باعث مه گرفتگی یا چرخش مجدد شود. جهت پشتیبانی از چنین ساختار بلندی، بسیار مهم است که پایه به طور قابل توجهی یکپارچه شده و در یک منطقه بزرگ پخش شود. یکپارچگی پایه، میتواند ساختار بلند و سنگین بالای سیستم کولینگ را پشتیبانی کند. به همین دلیل است که برج های خنک کننده دارای یک پایه بزرگ و مدور هستند. برجهای خنک‌کننده طبیعی گاهی اوقات به‌عنوان برجهای هذلولی شناخته میشوند. اگرچه اصطلاح صحیح آن هایپربولوئید است.
طراحی برج خنک کننده هذلولی
طراحی و ساخت برج خنک کنند هذلولی، حداقل استفاده از مواد را بدون به خطر انداختن یکپارچگی ساختاری امکان پذیر می کند. به همین ترتیب سیستم جریان طبیعی، خود هزینه اجرای فن های مورد نیاز برای برجهای خنک کننده اجباری و القایی را حذف می کند. شکل این سازه ها با هندسه هایپربولوئید یک ورقه ای ایجاد می شود که در قسمت میانی به سمت داخل منحنی می شود. ضمناَ بلحاظ ظاهری، برج خنک کننده هایپربولیک در بالا و پایین به بیرون، منحنی میشود.
مزایای بسیاری برای ساختار طراحی کولینگ تاور هذلولی وجود دارد:
- اگرچه حجم زیادی از حجم غیرقابل استفاده ایجاد می کند و بنابراین بیشتر در برنامه های کاربردی مانند برجهای خنک کننده استفاده می شود.
- اقتصاد ساختاری در این طراحی ذاتی استو زیرا می توان یک هایپربولوئید تک ورق را با شبکه ای از تیرهای مستقیم ساخت. این تیرها هم از نظر استحکام و هم از نظر سهولت ساخت نسبت به تیرهای منحنی برتری دارند.
- استحکام، عامل مهمی برای برپایی این سیستم ها است. زیرا انواع برج خنک کن هایپربولیک بزرگ، باید بتوانند در برابر هوا و بادهای شدید مقاومت کنند. تیرها معمولاً از فولاد ضد زنگ ساخته می شوند. درحالی که پوسته برج خنک کننده هذلولی از پرکننده بتنی ساخته شده است.
- بیاد داشته باشید که برای ساخت بدنه برج خنک کن هذلولی، بایستی از بتنهای عیار بالا استفاده شود.
مقاومت برج هایپربولیک در برابر نیروهای خارجی
چند دلیل دیگر پشت مدل شکلی ساخت برج خنک کننده هذلولی وجود دارد. بعنوان مثال، یک پایه گسترده نه تنها استحکام کل سازه را فراهم می کند. بلکه فضای کافی برای نصب ماشین آلات را نیز ارائه می دهد. از دیدگاه لجستیکی، ساخت شکل هایپربولیک (hyperbolic) آسان‌تر است. زیرا از شبکه‌ای از تیرهای مستقیم برای برپا کردن برج استفاده میکند. همچنین این نوع سازه نسبت به ساختمان های مستقیم، در برابر نیروهای طبیعی خارجی مقاومت بیشتری دارد.
پرواضح است که با توجه به دلایل فوق، ساختار برج های هایپربولیک نسبت به سیستم های استوانه ای، تحمل دفع فشارهای خارجی بیشتری را دارد.
ویژگی های برج خنک کننده هذلولی
انواع برج خنک کننده هذلولی دارای مزایای قابل توجه و تا حدودی متفاوت هستند. ویژگی هایی که سبب شده تا این سیستم های کولینگ، تفاوت های ساختاری و مکانیزمی خاصی با دیگر مدلها داشته باشند. برخی از مهمترین مزایای کولینگ تاور هایپربولیک (Hyperbolic cooling tower) به شرح زیر می باشد:
- مصرف به مراتب کمتر از انرژی برق. (در مدلهای مکانیکی، یرای به کار انداختن فن و الکتروموتور از برق استفاده میشود).
- نیاز کمتر به هرگونه تعمیرات
- تسریع در خروج گازهای گرما (جریان هوای گرم)؛ به علت شکل خاص هذلولی. (دهانه های بزرگتر و قوس تو رفته در وسط ساختار برج)
- بازدهی قبل قبول
- اثر پشته که یک پدیده علمی است، به خروج کامل هوای گرم موجود در برج خنک کننده هایپربولیک کمک میکند.
- هزینه نگهداری کم
- هزینه های عملیاتی کم. (در حین فعالیت و بهره برداری؛ بخصوص از جهت عدم خرابی های پیاپی فن)
- تلفات کم سیستم. (معمولاً کمتر از 1٪ از کل جریان).
- سطح سر و صدای پایین؛ بدلیل عدم بکارگیری قطعه فن.
- ظرفیت خنک کاری بالای سیالات. (انتخابی ایده آل برای کاربریها و پروژه‌های بزرگ نیروگاهی، پالایشگاهی و هسته ای)
- استفاده از پمپ های قدرتمند بمنظور پمپاژ حجم بالای آب برج خنک کن هذلولی.
معایب برج خنک کننده هایپربولیک
البته طراحی، ساخت و بهره برداری از برج خنک کننده هایپربولیک با چالش ها و مشکلات زیادی روبرو می باشد. از جمله معایب انواع برج خنک کن هذلولی میتوان به مولفه ها و مباحث ذیل اشاره نمود:
- نیاز به سرمایه اولیه بزرگ. (هزینه های اجرایی هنگفت)
- گاهی اوقات دریافت مجوز برنامه ریزی به دلیل ساختار بزرگ و تأثیر زیبایی شناختی بر منطقه محلی دشوار است.
- وجود دشواری هایی در بحث ورود جریانهای هوا به درون برج خنک کننده هذلولی. (بدلیل عدم بهره گیری از فن)
- زمانبر بودن فرآیند طراحی و ساخت برجهای هایپربولیک
- حجم تبخیر بالا و نیاز به تزریق مداوم آب های جبرانی
- نیاز به خرید زمینی بزرگ.
- عملکر مناسب یا غیرمناسب مشروط. (بازدهی این سیستم ها به سمت و جهات بادها بستگی خواهد داشت)
- لزوم بازرسی‌های پیاپی از ساختار و بدنه برای عدم ترک و نشتی پوسته ها و دیواره های بتنی
- احتمال بالای یخ زدن حجم آب زیاد سیستم های برج خنک کن جریان طبیعی در فصل های پاییز و بخصوص زمستان
- علیرغم طراحی و مواد بادوام، شرایط خشک و مرطوب متناوب درون برج، آنها را مستعد تخریب ناشی از خوردگی می کند. اتفاقی که می تواند برای فرآیندهای خنک کننده، شدیداَ مضر باشد.
ابعاد کولینگ تاور هایپربولیک
انواع برج خنک کننده هایپربولیک یا هذلولی، ساختار رایجی هستند که در پالایشگاه های نفت، کارخانه های پتروشیمی، پالایشگاه های شیمیایی و نیروگاه های حرارتی یافت می شوند. برجهای خنک کن در طیف وسیعی از اندازه ها طراحی میگردند. درحقیقت از واحدهای کوچک روی پشت بام گرفته تا ارتفاع های بیش از 200 متر. برج خنک کننده هذلولی (یا هایپربولوئید)، سازه ای غول پیکر و مخروطی برجسته است که ارتفاعشان میتواند حتی تا 250 متر نیز باشد.
نمونه موردی ساخت برج خنک کن هایپربولیک
همواره این سوال بوجود می آید که ساخت برج خنک کننده هذلولی با چه چالش هایی همراه خواهد بود؟!. و مصالح ساخت و هزینه های عملیاتی تا چه میزان افزایش می‌یابد؟!
درهمین رابطه به سراغ یک نمونه موردی از ساخت کولینگ تاور هایپربولیک در منطقه برایتون ایالت ماساچوت خواهیم رفت. ایبرسون یک شریک سرمایه گذاری مشترک برای ساخت پروژه آژانس حفاظت از محیط زیست برای تبدیل ایستگاه نقطه ای برایتون در ماساچوست، از یک سیستم خنک کننده باز به یک سیستم خنک کننده حلقه بسته بود.
ساخت برج خنک کننده هذلولی مورد نظر شامل بیش از 3900 یارد مکعب بتن می باشد. جالب است بدانید که این ساختار با 488000 پوند فولاد تقویت کننده است. هر برج خنک کننده دارای 500 فوت ارتفاع (152.4 متر) و تقریباً 370 فوت عرض (112.77 متر) می‌باشد. همچنین در پایین با دیوارهای بتنی با 20 اینچ امتداد یافته است.
شکل متفاوت برج خنک کننده به قالب های انعطاف پذیر برای تغییر قطر برج نیاز داشت. ضمناَ چهار پمپ 4900 اسب بخاری تعبیه شده در این سیستم های کولینگ، می توانند 360000 گالن آب در دقیقه به هر یک از برج ها برانند.
نگهداری برج خنک کننده هذلولی در زمستان
انواع برج خنک کننده هذلولی جریان طبیعی ممکن است در محیط های زیر صفر کار کنند. کارکرد این مدلها در محیطهای شدیداَ سرد و یا فصول سرد سال، گاهاَ به یخ زدن آب مخزن منجر میشود. روش های مختلفی برای جلوگیری از این اتفاق استفاده می شود:
- برج را از آب خنک ساز تخلیه کنید. روشی ساده و موثر برای از بین بردن احتمال آسیبهای ناشی از یخ زدگی آب که گاهاَ روند کار نیروگاه ها را مختل میکند!
- آب خنک‌کننده را به گردش در آورید تا دمای زیر صفر در حوضچه های کولینگ تاور حفظ شود. این روش نگهداری برج خنک کننده هایپربولیک، به دلیل مقرون به صرفه بودن و اجرای نسبتا آسان، توسط اکثر کارخانه ها مورد استفاده قرار می گیرد.
- آب سیستم کولینگ را با مواد یا سیالات ضد یخ میکس کنید. این امر از یخ زدگی آب جلوگیری می کند. اما به‌علت حجم زیاد آب درون سیستم، اقدام مقرون بصرفه‌ای نیست و به مواد زیادی نیاز خواهد داشت.
- حوضچه برج خنک کننده هذلولی را گرم کنید. البته این گزینه نیز معمولا از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست؛ اما مجموعاَ سودمند است.
- هیترهای الکتریکی سنسوردار، بهترین گزینه ممکن می باشد. مدلهای مختلف هیتر سنسور دار، دمای آب درون کولینگ تاور را دائماَ چک نموده و به حرارت دهی آبهای موجود در مخازن و تشتک اقدام میکند.
نگهداری از برج خنک کن هذلولی با تکنیک طناب
همانگونه که پیشتر نیز عنوان شد، انواع کولینگ تاور هایپربولیک یا هذلولی، دارای ساختارهای دودکش مانند بزرگی هستند که گاهاَ تا بیش از 200 متر نیز ارتفاع دارند. بخش زیادی از این ارتفاع، فاقد هرگونه طبقه ای می باشد. بنابراین نگهداری و بازدید از این حجم بزرگ، مستلزم بکارگیری تکنیک های خاصی می باشد.
یکی از راه های ارزان قیمت بازرسی و نگهداری از برج خنک کننده هذلولی، استفاده از سیستم طناب می باشد.
استفاده از تکنیک دسترسی طناب Industrial Access دارای چندین مزیت قابل توجه است:
- سهولت ویژه ای دارد. البته که باید اصول ایمنی در آن بصورت سفت و سخت رعایت شود.
- به خدمه و تجهیزات حداقلی نیاز خواهد داشت.
- هزینه های استفاده از سیستم طناب برای نگهداری برج خنک کن هذلولی، شدیداَ کمتر از شیوه های دسترسی با ماشین آلات سنگین نردبان دار و پیاده سازی داربست می باشد.
- آماده سازی شرایط اولیه‌ی این نوع دسترسی، زمان کوتاهی نیاز دارد.
آیا برج هایپربولیک برای مناطق گرم مناسب است؟
نمیتوان به چنین سوالی، پاسخ مشخصی ارائه داد. زیرا مهم است که کیفیت باد خنک و جهت جریان باد در مناطق خشک به چه اندازه ای است. اما بطورکلی در نیروگاه هایی که دارای گرمای طولانی تابستان مانند و رطوبت نسبی کم هستند، استفاده از برج های هذلولی جریان طبیعی میتواند اذیت کننده باشد. مگر اینکه مجبور باشند برای پوشش دهی ظرفیت های خنکسازی بالا، از برج خنک کننده هذلولی استفاده کنند.
بعنوان مثال برای نیروگاه های ذغال سنگ، جانمایی کولینگ تاورهای جریان طبیعی اندکی دورتر از مکان اصلی پروژه جانمایی صورت میپذیرد. زیرا معادن ذغال سنگ همواره گرمای بالا و گرد و غبار زیادی تولید میکنند. سیستم های کولینگ با کشش طبیعی ممکن است از نوع جریان متقابل یا جریان متقاطع باشند. برجهای جریان طبیعی نیازی به استفاده از برق برای کارکرد فن ها ندارد. درنتیجه تأثیر مثبتی بر تعادل مصرفی کل نیروگاه می گذارند. بسیاری از مردم برجهای خنک کن هذلولی را به عنوان یک ویژگی شناسایی مکان نیروگاه ها می دانند.
دماگستر؛ طراحی قدرتمند کولینگ تاور
شرکت دماگستر از جمله‌ی شرکت های پیشرو در امور تخصصی مربوط به طراحی، ساخت و تأمین قطعات مصرفی کولینگ تاور ها محسوب میشود. کارشناسان و مهندسین مجموعه دماگستر علاوه بر قابلیت پوشش دهی تمامی نیازهای داخلی کشور در زمینه خرید انواع برج خنک کن، آماده‌ی ارائه انواع خدمات متنوع به صاحبان صنایع و کارفرمایان گرامی می باشند.
جهت ساخت، طراحی، دریافت اطلاعات قیمتی، مشورت در رابطه با انتخاب بهترین ظرفیت ممکن و آشنایی با انواع برج خنکساز هذلولی، ابارا، فایبرگلاس، بتنی، گالوانیزه، کانترفلو، کراس فلو، مدارباز (مرطوب)، مداربسته (خشک)، هیبریدی، آدیاباتیک و…، با کارشناسان واحد مشاوره و فروش مجموعه دماگستر تماس حاصل نمایید.
همواره بیاد داشته باشید که امور حساس کولینگ تاورها را از متخصصان این زمینه بخواهید…
راه‌های ارتباطی با دماگستر: 02122380562 – 09128299793
نشانی دفتر فروش: سعادت آباد، ضلع شمال غربی، چهار راه خیابان نامی، ساختمان عمارت سرو، پلاک 9، طبقه چهارم، واحد 4
نشانی کارخانه: جاده قدیم کرج، سه راه شهریار، سعید آباد
مطالب مرتبط که مطالعه‌شان را به شما عزیزان پیشنهاد میکنیم: