برج خنک کننده هذلولی (hyperbolic cooling tower) یا همان برج خنککن هایپربولیک، دستگاهی صنعتی است 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 شدیداًَ در کاهش مصرف آب مؤثر باشد و نیازهای ظرفیتی بزرگ انواع پالایشگاه‌ها، نیروگاه‌ها و مراکز هسته‌ای را به‌خوبی پوشش دهد. البته ساخت کولینگ تاور هیپربولیک، می‌تواند چالش‌های فراوانی را پیشروی کارفرمایان بگذارد. چالش‌هایی همچون: هزینه ساخت و نگهداری بالا، مدت‌زمان بالای فرایند ساخت، دقت بالا در طراحی و …
طراحی برج خنک کننده هذلولی می‌تواند به‌صورت مکانیکی (با استفاده از فن) باشد. اما غالباًَ نحوهٔ مکش باد و سیستم خنک‌سازی در این تجهیزات، با روش جریان طبیعی صورت می‌گیرد. روش خنک‌سازی جریان طبیعی با بهره‌گیری از عملیات تبخیر، راندمان بالایی را در بحث خنک نمودن آب‌های داغ صنعتی به وجود می‌آورد. در ادامه به بررسی همه‌جانبه روش‌های 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 هذلولی واقعی از بادکش طبیعی (و نه فن!) برای کشیدن هوا به داخل سیستم استفاده می‌کنند. بااین‌حال، برج‌های جریان طبیعی به ساختار برج بسیار بزرگی نیاز دارند که اغلب به ساخت‌وساز بسیار گران‌قیمت تبدیل میشود؛ بنابراین وجود هزینه اولیه در این سیستم‌های کولینگ غیرقابل‌انکار است. اما بااین‌حال، انواع برج خنک کننده هایپربولیک یکی از مقرون‌به‌صرفه‌ترین برج‌های صنعتی موجود هستند.
کاربردهای برج خنک کننده هذلولی (هایپربولیک)
هرکجا که صحبت از ظرفیت‌های خنک‌کاری بسیار بالا مطرح باشد، قطعاًَ نام برج خنک کننده هذلولی (هایپربولیک) به میان می‌آید. انواع کاربری‌های 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 برج‌های خنک‌ساز هذلولی استفاده می‌کنند. زیرا تولید انرژی الکتریکی این مجموعه‌ها، مقدار زیادی گرمای مازاد زیادی تولید می‌کند که به آب‌های موردنیاز تولید سرایت می‌کند و عدم خنک‌سازی آب‌های گرم صنعتی، می‌تواند هزینه‌های مصرف آب را شدیداً افزایش دهد. همچنین این موارد، نیاز به سرمایه‌گذاری اولیه بزرگ، بدون توجه به طراحی را بیش‌ازپیش مشخص می‌سازد.
برج‌های جریان طبیعی از اصل جریان همرفتی برای تأمین گردش هوا استفاده می‌کنند. برج‌های کششی طبیعی معمولاً بسیار بلند هستند تا جریان هوای کافی را القا کنند. طراحی و ساخت سیستم‌های خنک‌ساز هایپربولوئید (hyperbolic cooling tower) بسیار پرهزینه و پردردسر است. در حقیقت از برج‌های هیپربولیک فقط برای کاربری‌هایی استفاده میشود که نیاز به سرمایش ثابت در طول سالیان متمادی موردنیاز است. مانند نیروگاه‌های حرارتی یا مراکز انرژی هسته‌ای 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 سیستم‌های مدار باز می‌باشد. با این تفاوت که به دلیل عدم استفاده از فن و ساختار خاص هایپربولیک، در نحوه ورود و خروج هوا دارای تفاوت‌های بنیادینی هستند. شیوه عملکرد کولینگ تاور هایپربولیک جریان طبیعی بدین شکل است که:
آب‌های جاری گستردهٔ موجود در برج خنک کننده هذلولی ابتدا توسط نازل‌ها بر روی سطوح فیلر پاشش خواهد داشت. این آب‌ها از بخش زیرین وارد دستگاه می‌شوند و به بخش فوقانی پمپاژ می‌گردند. از سویی جریان هوا به طور جریان طبیعی از طریق دهانه‌های بزرگ برج وارد سیستم میشود. پس از تبادل گرمای مستقیم بین هوا و آب، جریان آب‌خنک شده و وارد بخش تشتک سیستم کولینگ میشود.
به دلیل 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 تورفتهٔ وسط برج می‌رسد، روند حرکتی به دلیل فشردگی سریع‌تر میشود. سپس حجم زیاد هوای مرطوب و پرحرارت با عبور از انحنای وسط و رسیدن به دهانهٔ بزرگ فوقانی، به یکباره خروج پیدا می‌کنند.
گرچه که گرانش موجب میشود که سیالات در لایه‌های زیرین دستگاه باقی بماند. اما به یاد داشته باشید که در لایه‌های 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 خنککن، خنک میشود. همان‌طور که آب گرم تبخیر میشود و شروع به بالارفتن در سازه بتنی می‌کند، اثر باریک شدن برج به افزایش سرعت لایه‌های موازی بخار بدون هیچ‌گونه اختلال (که به آن جریان آرام گفته میشود) کمک می‌کند. ازآنجایی‌که هوای گرم چگالی کمتری نسبت به هوای خنک دارد، به‌راحتی 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 به‌سرعت بخشیدن به جریان صعودی کمک می‌کند، پس چرا دهانه بالایی کولینگ تاور هذلولی آن‌قدر پهن است؟
قسمت بالای برج‌های خنککن پهن میشود. زیرا این نقطه‌ای است که هوای گرم از داخل سیستم هایپربولیک پخش میشود و با هوای جو مخلوط میشود؛ بنابراین، ما می‌خواهیم ناحیه‌ای را که از طریق آن این انتشار انجام میشود، به حداکثر قطر دهانه برسانیم. بدین ترتیب بخار داغ بیشتری به‌سرعت با محیط بیرونی مخلوط میشود و کل فرایند خنک‌سازی کارآمدتر می‌گردد.
شکل ساخت برج خنک کننده هذلولی
مدل‌های مختلف برج خنک کننده هذلولی جریان طبیعی، به دلایل متنوعی شکل بسیار منحصربه‌فردی دارند.
- دلیل اول این است که شکل هذلولی، مقدار مصالح ساختمانی موردنیاز هنگام ساخت چنین برج بزرگی را کاهش می‌دهد. درواقع تورفتگی‌های این برج‌ها کمک می‌کند تا مصالح کمتری در ساخت بکار رود. درنتیجه هزینه‌های ساخت برج خنککن هایپربولیک کاهش می‌یابد.
- دلیل دوم این است که شکل پارابولوئید برج، باعث تسریع جریان هوا در برج میشود؛ بنابراین ظرفیت خنک‌کنندگی برج‌ها را افزایش می‌دهد.
- علت سوم، مربوط به تأثیر شکل هایپربولوئید بر استحکام کلی ساختار برج خنک کننده هذلولی است. ازآنجایی‌که برج‌های خنککن قرار است سیال را تا دمای پایین خنک کنند، بخارات را از طریق دهانه بالای برج وارد جو می‌کنند؛ بنابراین، این برج‌ها باید به‌اندازه کافی بلند باشند (بلندی آنها می‌تواند به بیش از ۲۰۰ متر برسد!).
در غیر این صورت، بخار منتشر شده ممکن است باعث مه‌گرفتگی یا چرخش مجدد شود. جهت پشتیبانی از چنین ساختار بلندی، بسیار مهم است که پایه به طور قابل‌توجهی 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 برج‌های خنک کننده دارای یک‌پایه 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 امکان‌پذیر می‌کند. به همین ترتیب سیستم جریان طبیعی، خود هزینه اجرای فن‌های موردنیاز برای برج‌های خنک کننده اجباری و القایی را حذف می‌کند. شکل این سازه‌ها با هندسه هایپربولوئید یک ورقه‌ای ایجاد میشود که در قسمت میانی به سمت داخل منحنی میشود. ضمناًَ به لحاظ 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 غیرقابل‌استفاده ایجاد می‌کند و بنابراین بیشتر در برنامه‌های کاربردی مانند برج‌های خنک کننده استفاده میشود.
- اقتصاد ساختاری در این طراحی ذاتی است 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 سیستم‌ها است. زیرا انواع برج خنککن هایپربولیک بزرگ، باید بتوانند در برابر هوا و بادهای شدید مقاومت کنند. تیرها معمولاً از فولاد ضدزنگ ساخته می‌شوند. درحالی‌که پوسته برج خنک کننده هذلولی از پرکننده بتنی ساخته شده است.
- به یاد داشته باشید که برای ساخت بدنه برج خنککن 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. به‌عنوان‌مثال، یک‌پایه گسترده نه‌تنها استحکام کل سازه را فراهم می‌کند. بلکه فضای کافی برای نصب ماشین‌آلات را نیز ارائه می‌دهد. از دیدگاه لجستیکی، ساخت شکل هایپربولیک (hyperbolic) آسان‌تر است. زیرا از شبکه‌ای از تیرهای مستقیم برای برپاکردن برج استفاده می‌کند. همچنین این نوع سازه نسبت به ساختمان‌های مستقیم، در برابر نیروهای طبیعی خارجی مقاومت بیشتری دارد.
پرواضح است که باتوجه‌به دلایل فوق، ساختار برج‌های هایپربولیک نسبت به سیستم‌های استوانه‌ای، تحمل دفع فشارهای خارجی بیشتری را دارد.
ویژگی های برج خنک کننده هذلولی
انواع برج خنک کننده هذلولی دارای مزایای قابل‌توجه و تا حدودی متفاوت هستند. ویژگی‌هایی که سبب شده تا این سیستم‌های کولینگ، تفاوت‌های ساختاری و مکانیزمی خاصی با دیگر مدلها داشته باشند. برخی از مهم‌ترین مزایای کولینگ تاور هایپربولیک (Hyperbolic cooling tower) به شرح زیر می‌باشد:
- مصرف به‌مراتب کمتر از انرژی برق. (در مدل‌های مکانیکی، برای 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. (دهانه‌های بزرگ‌تر و قوس تورفته 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
- هزینه‌های عملیاتی کم. (در حین فعالیت و بهره‌برداری؛ بخصوص از جهت عدم خرابی‌های پیاپی فن)
- تلفات کم سیستم. (معمولاً کمتر از ۱٪ از کل جریان).
- سطح سروصدای پایین؛ به دلیل عدم به‌کارگیری قطعه فن.
- ظرفیت خنک‌کاری بالای سیالات. (انتخابی ایده‌آل برای کاربری‌ها و پروژه‌های بزرگ نیروگاهی، پالایشگاهی و هسته‌ای)
- استفاده از پمپ‌های قدرتمند به‌منظور پمپاژ حجم بالای آب برج خنککن هذلولی.
معایب برج خنک کننده هایپربولیک
البته طراحی، ساخت و بهره‌برداری از برج خنک کننده هایپربولیک با چالش‌ها و مشکلات زیادی روبرو می‌باشد. از جمله معایب انواع برج خنککن هذلولی می‌توان به مؤلفه‌ها و مباحث ذیل اشاره نمود:
- نیاز به سرمایه اولیه بزرگ. (هزینه های اجرایی هنگفت)
- گاهی اوقات دریافت مجوز برنامه‌ریزی به دلیل ساختار بزرگ و تأثیر زیبایی‌شناختی بر منطقه محلی دشوار است.
- وجود دشواری‌هایی در بحث ورود جریان‌های هوا به درون برج خنک کننده هذلولی. (به دلیل عدم بهره‌گیری از فن)
- زمان‌بر بودن فرایند طراحی و ساخت برج‌های هایپربولیک
- حجم تبخیر بالا و نیاز به تزریق مداوم آب‌های جبرانی
- نیاز به خرید زمینی بزرگ.
- عملکرد مناسب یا غیر مناسب مشروط. (بازدهی این سیستم‌ها به سمت و جهات بادها بستگی خواهد داشت)
- لزوم بازرسی‌های پیاپی از ساختار و بدنه برای عدم ترک و نشتی پوسته‌ها و دیواره‌های بتنی
- احتمال بالای یخ‌زدن حجم آب زیاد سیستم‌های برج خنککن جریان طبیعی در فصل‌های پاییز و بخصوص زمستان
- علی‌رغم طراحی و مواد بادوام، شرایط خشک و مرطوب متناوب درون برج، آنها را مستعد تخریب ناشی از خوردگی می‌کند. اتفاقی که می‌تواند برای فرایندهای خنک کننده، شدیداً مضر باشد.
ابعاد کولینگ تاور هایپربولیک
انواع برج خنک کننده هایپربولیک یا هذلولی، ساختار رایجی هستند که در پالایشگاه‌های نفت، کارخانه‌های پتروشیمی، پالایشگاه‌های شیمیایی و نیروگاه‌های حرارتی یافت می‌شوند. برج‌های خنککن در طیف وسیعی از اندازه‌ها طراحی می‌گردند. درحقیقت از واحدهای کوچک روی پشت‌بام گرفته تا ارتفاع‌های بیش از ۲۰۰ متر. برج خنک کننده هذلولی (هایپربولوئید)، سازه‌ای غول‌پیکر و مخروطی برجسته است که ارتفاعشان می‌تواند حتی تا ۲۵۰ متر نیز باشد.
نمونه موردی ساخت برج خنک کن هایپربولیک
همواره این سؤال به وجود می‌آید که ساخت برج خنک کننده هذلولی با چه چالش‌هایی همراه خواهد بود؟! و مصالح ساخت و هزینه‌های عملیاتی تا چه میزان افزایش می‌یابد؟!
در همین رابطه به سراغ یک نمونه موردی از ساخت کولینگ تاور هایپربولیک در منطقه برایتون ایالت ماساچوست خواهیم رفت. ایبرسون یک شریک سرمایه‌گذاری مشترک برای ساخت پروژه آژانس حفاظت از محیط‌زیست برای تبدیل ایستگاه نقطه‌ای برایتون در ماساچوست، از یک سیستم خنک کننده باز به یک سیستم خنک کننده حلقه بسته بود.
ساخت برج خنک کننده هذلولی موردنظر شامل بیش از ۳۹۰۰ یارد مکعب بتن می‌باشد. جالب است بدانید که این ساختار با ۴۸۸۰۰۰ پوند فولاد تقویت‌کننده است. هر برج خنک کننده دارای ۵۰۰ فوت ارتفاع (۱۵۲.۴ متر) و تقریباً ۳۷۰ فوت عرض (۱۱۲.۷۷ متر) می‌باشد. همچنین در پایین با دیوارهای بتنی با ۲۰ اینچ امتدادیافته است.
شکل متفاوت برج خنک کننده به قالب‌های انعطاف‌پذیر برای تغییر قطر برج نیاز داشت. ضمناً چهار پمپ ۴۹۰۰ اسب بخاری تعبیه شده در این سیستم‌های کولینگ، می‌توانند ۳۶۰۰۰۰ گالن آب در دقیقه به هر یک از برج‌ها 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 آب‌خنک ساز تخلیه کنید. روشی ساده و مؤثر برای ازبین‌بردن احتمال آسیب‌های ناشی از یخ‌زدگی آب که گاهاَ روند کار نیروگاه‌ها را مختل می‌کند!
- آب خنک‌کننده را به گردش در آورید تا دمای زیر صفر در حوضچه‌های کولینگ تاور حفظ شود. این روش نگهداری برج خنک کننده هایپربولیک، به دلیل مقرون‌به‌صرفه بودن و اجرای نسبتاً آسان، توسط اکثر کارخانه‌ها مورداستفاده قرار می‌گیرد.
- آب سیستم کولینگ را با مواد یا سیالات ضد یخ میکس کنید. این امر از یخ‌زدگی آب جلوگیری می‌کند. اما به علت حجم زیاد آب درون سیستم، اقدام مقرون‌به‌صرفه‌ای نیست و به مواد زیادی نیاز خواهد داشت.
- حوضچه برج خنک کننده هذلولی را گرم کنید. البته این گزینه نیز معمولاً از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه نیست؛ اما مجموعاً سودمند است.
- هیترهای الکتریکی سنسوردار، بهترین گزینه ممکن می‌باشد. مدل‌های مختلف هیتر سنسور دار، دمای آب درون کولینگ تاور را دائماًَ چک نموده و به حرارت‌دهی 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 ۲۰۰ متر نیز ارتفاع دارند. بخش زیادی از این ارتفاع، فاقد هرگونه طبقه‌ای می‌باشد؛ بنابراین نگهداری و بازدید از این حجم بزرگ، مستلزم به‌کارگیری تکنیک‌های خاصی می‌باشد.
یکی از راه‌های ارزان‌قیمت بازرسی و نگهداری از برج خنک کننده هذلولی، استفاده از سیستم طناب می‌باشد.
استفاده از تکنیک دسترسی طناب Industrial Access دارای چندین مزیت قابل توجه است:
- سهولت ویژه‌ای دارد. البته که باید اصول ایمنی در آن به‌صورت سفت‌وسخت رعایت شود.
- به خدمه و تجهیزات حداقلی نیاز خواهد داشت.
- هزینه‌های استفاده از سیستم طناب برای نگهداری برج خنککن هذلولی، شدیداً کمتر از شیوه‌های دسترسی با ماشین‌آلات سنگین نردبان دار و پیاده‌سازی داربست می‌باشد.
- آماده‌سازی شرایط اولیهٔ این نوع دسترسی، زمان کوتاهی نیاز دارد.
آیا برج هایپربولیک برای مناطق گرم مناسب است؟
نمی‌توان به چنین سؤالی، پاسخ مشخصی ارائه داد. زیرا مهم است که کیفیت باد خنک و جهت جریان باد در مناطق خشک به چه اندازه‌ای است. اما به‌طورکلی در نیروگاه‌هایی که دارای گرمای طولانی تابستان مانند و رطوبت نسبی کم هستند، استفاده از برج‌های هذلولی جریان طبیعی می‌تواند اذیت‌کننده باشد. مگر اینکه مجبور باشند برای پوشش‌دهی ظرفیت‌های خنک‌سازی بالا، از برج خنک کننده هذلولی استفاده کنند.
به‌عنوان‌مثال برای نیروگاه‌های زغال‌سنگ، جانمایی کولینگ تاورهای جریان طبیعی اندکی دورتر از مکان اصلی پروژه جانمایی صورت می‌پذیرد. زیرا معادن زغال‌سنگ همواره گرمای بالا و گردوغبار زیادی تولید می‌کنند. سیستم‌های کولینگ با کشش طبیعی ممکن است از نوع جریان متقابل یا جریان متقاطع باشند. برج‌های جریان طبیعی نیازی به استفاده از برق برای کارکرد فن‌ها ندارد. درنتیجه تأثیر مثبتی بر تعادل مصرفی کل نیروگاه می‌گذارند. بسیاری از مردم برج‌های خنککن هذلولی را به‌عنوان یک ویژگی شناسایی مکان نیروگاه‌ها می‌دانند.
دماگستر؛ طراحی قدرتمند کولینگ تاور
شرکت دماگستر از جملهٔ شرکتهای پیشرو در امور تخصصی مربوط به طراحی، ساخت و تأمین قطعات مصرفی کولینگ تاورها محسوب میشود. کارشناسان و مهندسین مجموعه دماگستر علاوه بر قابلیت پوشش‌دهی تمامی نیازهای داخلی کشور در زمینه خرید انواع برج خنککن، آمادهٔ ارائه انواع خدمات متنوع به صاحبان صنایع و کارفرمایان گرامی می‌باشند.
جهت ساخت، طراحی، دریافت اطلاعات قیمتی، مشورت دررابطه‌با انتخاب بهترین ظرفیت ممکن و آشنایی با انواع برج خنک‌ساز هذلولی، ابارا، فایبرگلاس، بتنی، گالوانیزه، کانتر فلو، کراس فلو، مدار باز (مرطوب)، مداربسته (خشک)، هیبریدی، آدیاباتیک و…، با کارشناسان واحد مشاوره و فروش مجموعه دماگستر تماس حاصل نمایید.
همواره به یاد داشته باشید که امور حساس کولینگ تاورها را از متخصصان این زمینه بخواهید.
مطالب مرتبط که مطالعه‌شان را به شما عزیزان پیشنهاد می‌کنیم: