التبريد (أبراج-)
تبريد (ابراج)
Cooling towers -
التبريد (أبراج-)
محمد وجيه ناعمة - محمد سعيد الجراح
أبراج التبريد cooling towers هي مبادلات حرارية تعمل على تبريد المياه بالتبخير في حيز محدود وبكفاءة عالية بالتبادل الحراري والكتلي ما بين الماء والهواء. تستخدم أبراج التبريد مع المكثفات المبرَّدة بالماء لخفض درجة حرارة الماء المستخدم وسيط تكثيف بعد اكتسابه الطاقة الحرارية المفقودة من المكثِّف، يُضخ الماء الساخن الخارج من المكثِّف، ويدخل إلى برج التبريد من الأعلى، ويوزع بالتساوي على شكل قطرات تلامس الهواء الداخل إلى البرج من أسفله، وبعد أن يبرد الماء يُجمع في حوض البرج ويعود مرة أخرى إلى داخل المكثِّف كما في الشكل (1).
تجري عملية التبريد داخل البرج نتيجة تبخر جزء من الماء في أثناء تلامسه مع الهواء (عملية انتقال الحرارة بالحمل)، ويحمل الهواء المطرود البخار إلى خارج البرج، فيؤدي ذلك إلى ارتفاع رطوبة الهواء، وإضافة إلى ذلك فإن جزءاً من الحرارة تنتقل من الماء إلى الهواء، ومن ثم ترتفع درجة حرارة الهواء الخارج من البرج. تتوقف فعالية برج التبريد بدرجة كبيرة على درجة الحرارة الرطبة للهواء الداخل إلى البرج، فكلما كانت درجة حرارة الهواء الرطبة عند الدخول منخفضة زادت فعالية البرج. تستعمل عدة معاملات لتوصيف أداء البرج وتسهيل حساب استطاعته. فيسمى الفرق بين درجة حرارة الماء الداخل للبرج والخارج منه مدى التبريد cooling range. ويدعى الفرق بين درجة حرارة الماء الخارج من البرج ودرجة الحرارة الرطبة للهواء عند الدخول الاقتراب approach، ويعتمد معدل انتقال الحرارة خلال البرج على درجة الحرارة الرطبة للهواء الداخل. يمثل الشكل (2) مخطط خواص الهواء الرطب موضحاً عليه مدى التبريد والاقتراب وعملية التبريد في البرج. كما يعتمد معدل انتقال الحرارة على الخواص الترموديناميكية للهواء الرطب وأهمها الأنطلبية enthalpy التي تعطى في مخططات الهواء الرطب psychrometer مقارنة بالهواء الجاف.
أسباب استخدام أبراج التبريد
- حاجة وحدات التبريد والتكثيف الكبيـرة، مثل محطات الطاقة ومحطات التكييف المـركزية إلى كميات كبيرة من الماء لتبريد سائل وسيط التبريد.
- حاجة تبريد الماء الداخل إلى مكثف منشأة وحدة تبريد أو محطة حرارية، وهو مبادل حراري مهمته التخلص من كمية الحرارة المسحوبة من الوسط اللازم تبريده.
أنواع أبراج التبريد
تُصنَّف أبراج التبريد إلى:
أ- أبراج التيار الطبيعية natural draft towers: تجري حركة الهواء فيها من دون مراوح، إذ تحدث بفعل طبيعي نتيجة فرق كثافة الهواء الرطب عن الجاف، وهي على نوعين:
- النوع الأول يستخدم فوهات رذ spray nozzles، تعمل على نفث الماء الداخل إلى البرج من الأعلى على شكل قطرات صغيرة لتسقط إلى حوض ماء البرج في الأسفل كما في الشكل (3).
- أما النوع الثاني فيستخدم سطحاً أو حشوة fill لزيادة مساحة السطح المبتل في البرج وتحويل الماء إلى قطرات، وذلك لتقليل سرعة سقوط هذه القطرات إلى حوض البرج كما في الشكل (4). وهذا النوع ذو كفاءة أكبر من النوع الأول بنحو (20 –30 %).
خواص برج التبريد ذي التيار الطبيعي:
محاسنه: سهولة التشغيل ورخص التكاليف والصيانة.
عيوبه: يحتاج إلى مساحات كبيرة، ومكان مفتوح ومرتفع؛ لتكون سرعة الهواء كبيرة.
ب- الأبراج الميكانيكية: وتسمى أيضاً أبراج التبريد ذات تيار الهواء القسري forced draft، وهي شائعة الاستعمال في هندسة التكييف والتبريد. وتمتاز هذه الأبراج بأنها أقل حجماً وأقل وزناً وذات كفاءة أعلى، ولها مقدرة على مواجهة الحمل عند تغير درجات حرارة الهواء. ويُستخدم هذا النوع من الأبراج في الحالات التي يتعذر فيها توفر مساحات كبيرة، وعدم توفر مساحات مفتوحة مواجهة للرياح، وفي الأماكن التي يكون فيها الهواء راكداً.
- تُستخدم مع أبراج التبريد موانع eliminators توقف خروج قطرات المياه مع الهواء الخارج من البرج.
- يُضخ الماء الساخن القادم من المكثف إلى أعلى البرج حيث يجري رشه إلى أسفله بوساطة مجموعة من البخاخات (المرذات).
- تحتوي أبراج التبريد عادة على حشو من اللدائن (البلاستيك) أو المعدن لزيادة مساحة السطح المبلل ولترذيذ المياه إلى قطرات صغيرة والعمل على تباطؤ سقوط القطرات إلى قاع الحوض.
تُصنَّف الأبراج الميكانيكية إلى:
أ - أبراج تيار الدفع: تعمل المروحة على دفع الهواء خلال البرج ويكون ضغط الهواء داخل البرج أكبر من الضغط الجوي، وتُوضع المروحة عند مدخل برج التبريد، وتكون من النوع الطارد المركزي أو المحوري (الشكل5).
ب - أبراج تيار السحب induced draft:
تعمل المروحة على سحب الهواء من البرج، لذا يكون ضغط الهواء بداخله أقل من الضغط الجوي. أي إنه يكون داخل البرج سالباً حيث توضع المروحة في نهايته (الشكل6)، وتكون المروحة من النوع المحوري.
تصميم أبراج التبريد:
تتوقف كفاءة برج التبريد على درجة الحرارة الرطبة للهواء عند دخوله إلى البرج، ومساحة سطح المياه المعرض للهواء ومدة تعرضه، وكذلك على سرعة جريان الهواء خلال البرج، واتجاه جريانه بالنسبة إلى المياه المتساقطة (موازٍ متعاكس counter flow أو متعامد cross flow).
- طريقة تصميم الحشو في داخل البرج: يظهر الشكل (7) طريقة تصميم الحشو الذي يفيد في تكسير عمود الماء (المرذات) بحيث يمكن الهواء من ملامسة أكبر قدر ممكن من ذرات الماء، إضافة إلى زيادة السطح المبتل؛ أي نشر الماء على أكبر قدر من المساحات، وتمكينه من أخذ وقت كاف للانتقال من أعلى البرج إلى أسفله، وهذا يعطيه فرصة أكبر ليبرد.
- تتحكم في أداء برج التبريد العوامل ذاتها التي تؤثر في تبخر الماء في الهواء، وهي: سرعة الهواء خلال البرج، ومساحة سطح قطرات الماء المعرضة لكل وحدة حجمية من الهواء، ومدة تعرضها، وكذلك متوسط الفرق بين ضغطي البخار في الهواء والماء في البرج، واتجاه جريان الهواء بالنسبة إلى الماء.
يتوقف اختيار أبراج التبريد على: السعة المطلوبة، ودرجة الحرارة الرطبة للهواء الداخل إلى البرج، ودرجة حرارة الماء المطلوبة عند الخروج من برج التبريد.
معاملات الدراسة الحرارية والتصميمية لبرج التبريد
أ- استطاعة برج التبريد: هي كمية الحرارة التي يستطيع برج التبريد التخلص منها في واحدة الزمن؛ 
، إضافة إلى كمية الحرارة الناجمة عن عمل الضاغط 
. وتحسب من العلاقة (1):
حيث: 
استطاعة المكثِّف 
أو kW – كيلوواط أو كيلو جول/ ثانية
استطاعة برج التبريد 
أو kW - كيلوواط أو كيلو جول/ ثانية
ويلاحظ أن درجة الحرارة النهائية للماء عند حوض برج التبريد تتوقف على ارتفاع البرج بفرض أن سرعة الرياح ثابتة. وكذلك فإن الماء الخارج من المكثِّف يُبَرَّد عادةً إلى درجة تقترب من درجة الحرارة الرطبة للهواء الداخل للبرج، ولكنها لا تبلغ هذه الدرجة كما هو موضح في الشكل (8). وتبقى أعلى منها بنحو 5 إلى 10 درجات سلزية ويتوقف ذلك على استطاعة البرج وطريقة تصميمه وكمية المياه.
ب- تدفق مياه التبريد: ويحسب بالعلاقة (2):
حيث: 
كمية تدفق الماء الداخل (الخارج) إلى البرج 
- كيلوغرام/ ثانية
Cw السعة الحرارية النوعية للماء 
- كيلو جول/ كيلوغرام درجة
فرق درجات حرارة المياه 
درجة
ج- التدفق الحجمي للهواء الداخل إلى البرج: يجري حساب التدفق الحجمي للهواء بتطبيق القانون الأول في الترموديناميك وقانون مصونية الكتلة على البرج. يتكوَّن الهواء الرطب من الهواء الجاف وبخار الماء، وبتطبيق القانونين وبالاستعانة بالشكل (9) تكون العلاقة (3):
وعلى هذا يحسب التدفق الحجمي للهواء بالعلاقة (4):
حيث: 
: تدفق الهواء الجاف الداخل (الخارج) إلى البرج
- كيلوغرام/ ثانية
: تدفق مياه التبريد الداخلة 
. كيلوغرام/ ثانية
: أنطلبية enthalpy (مضمون الحرارة) مياه التبريد الداخلة والخارجة على الترتيب 
. كيلو جول/ كيلوغرام
: أنطلبية الهواء الداخل والخارج على الترتيب 
. كيلو جول/ كيلوغرام
: نسبة الرطوبة في الهواء الداخل والخارج على الترتيب 
- كيلو غرام بخار / كيلوغرام هواء جاف
: الحجم النوعي للهواء الداخل إلى البرج 
- كيلوغرام/ م3
وبذلك يحسب تدفق مياه التبريد في الفقرة السابقة. أما بالنسبة إلى معامِلات (بارامترات) نقاط الدخول والخروج للبرج فتُحسَب بالاستعانة بجداول بخار الماء ومخطط خواص الهواء الرطب (الشكل10)، فمثلاً بفرض أن درجة حرارة الهواء الخارج من البرج هي 30°س و رطوبته النسبية 100% يكون من جداول بخار الماء (العلاقات 5 و6):
عند درجة حرارة دخول الماء للبرج.
عند درجة حرارة خروج الماء من البرج.
من مخطط خواص الهواء الرطب، وبعد تمثيل النقاط تلاحظ العلاقات (7، 8، 9، 10، 11):
بتعويض هذه القيم في العلاقة السابقة تنتج العلاقة (12):
ومن ثَمَّ يكون التدفق الحجمي للهواء كما في العلاقة (13):
د - كمية مياه التعويض: بما أن الهواء الداخل إلى البرج يمتص جزءاً من مياه التبريد المرذذة، فلا بد من تعويض هذه الكمية التي تحسب من العلاقة (14):
يبين الشكل (10) تمثيل عمل برج التبريد على مخطط خواص الهواء الرطب.
اختيار برج التبريد
تعتمد استطاعة أبراج التبريد الحرارية المستخدمة في مجال تكييف الهواء -عادةً- على الحمل الحراري لوحدة التكييف، لكون الحرارة المطلوب التخلص منها مرتبطة بهذا الحمل وقد لا يستعمل الماء وإنما الهواء فقط؛ على سبيل المثال تعطى الاستطاعة اللازمة لكل kw (1.25kW/kW) وكذلك في المحطات الحرارية لتوليد الطاقة الكهربائية.
الشكل (1) دورة الماء في المكثف وبرج التبريد.
الشكل (2) مخطط خواص الهواء موضحاً عليه مدى التبريد والاقتراب ودرجات حرارة دخول الماء والهواء إلى البرج وخروجهما (عملية التبريد في البرج).
الشكل (4) برج تبريد طبيعي يستخدم حشوة
الشكل (3) برج طبيعي يستخدم بخاخات (مِرذات) لرذ الماء داخل البرج.
الشكل (5) برج تيار الدفع.
الشكل (6) برج تيار السحب
الشكل (7) طريقة تصميم الحشو.
الشكل (8) العلاقة بين درجات الحرارة للماء والهواء مع سطح التبادل الحراري.
الشكل (9) رسم تخطيطي لحركتي جريان الماء والهواء في برج التبريد.
الشكل (10) تمثيل عمل برج التبريد على مخطط خواص الهواء الرطب
مراجع للاستزادة:
- G. B. Hill and E. J. Pring, et al., Cooling Towers: Principles and Practice, Butterworth-Heinemann, 2013,
- H. W. Stanford III, HVAC Water Chillers and Cooling Towers: Fundamentals, Application, and Operation, CRC press 2016.
- K. Upadhyay, Cooling Towers, Notion press 2019.
- المجلد : المجلد السادس مشاركة :
اخترنا لكم
المجلدات الصادرة عن موسوعة العلوم والتقانات
