معدات وحدات التشغيل

أبراج التبريد Cooling Towers – الجزء الأول

معظم الماكنات والآلات التي تستخدم في الصناعة، وحتى تلك الآلات المخصصة لراحة الإنسان ورفاهيته، دائماً ما تنتج كماً هائلاً من الحرارة، والتي لا بد من تبديدها باستمرار حتى نحافظ على كفاءة هذه الأجهزة واستمرار عملها. وعلى الرغم من أن هذه الحرارة غالباً ما يتم تبادلها مع كمية من الماء المتدفق البارد؛ إلا أن وجهة الحرارة الناتجة الأخيرة دائماً ما تكون الجو المحيط بذلك الجهاز أو المعدة، وذلك إنما يتحقق باستخدام إحدى أنواع المبادلات الحرارية.
أبراج التبريد هي إحدى أنواع المبادلات الحرارية المستخدمة في طرد حرارة المياه المستخدمة في العمليات الصناعية المختلفة إلى الغلاف الجوي، وتبريد الماء إلى درجة حرارة قريبة من درجة حرارة الهواء. تعتبر هذه الأبراج نوع خاص من أنواع المبادلات الحرارية (خاصة بالماء والهواء فقط)، حيث تتم عملية تبادل الحرارة بشكل مباشر بين الماء الساخن والهواء مما يقلل من درجة حرارة الماء خلال عبوره في البرج بسبب تبخر كمية معينة ذات حرارة مرتفعة منه.

إقرأ أيضا:أبراج التبريد Cooling Towers – الجزء الثاني

المياه التي يتم تسخينها في العمليات الصناعية أو في المكثفات (Condensers) يتم ضخها إلى داخل برج التبريد بواسطة مضخات من الأعلى، ويتم توزيعها بشكل متساوي على شكل قطرات حتى تسقط في حوض البرج، وأثناء سقوطها تكون على تماس مع الهواء المار داخل البرج حيث تتم عملية التبادل الحراري، وتنتقل الحرارة من تيار الماء الساخن إلى تيار الهواء البارد مما يرفع درجة حرارته والرطوبة النسبية فيه إلى 100% ومن ثم يتم تصريف الهواء الساخن إلى الجو، وتتجمع المياه المبردة (Cooled water) في حوض البرج ويتم ضخها من جديد ليتم استخدامها في العمليات الصناعية المختلفة أو في المكثفات الصناعية.

تتم عملية التبريد داخل البرج نتيجةً لسببين اثنين هما:

  1. عملية التوصيل الحراري (Conduction heat transfer) الناتجة عن اتصال الماء الساخن بالهواء البارد.
  2. التبريد بالتبخير (Evaporative Cooling) الحاصل لكميات صغيرة من الماء الساخن الداخل إلى البرج، مما يسمح بوصول درجة حرارة الماء الخارج من البرج إلى درجة حرارة قريبة أو أقل من درجة الحرارة المحيطة بالبرج، ويعدّ هذا السبب هو السبب الرئيس لعملية التبريد.

سيحمل الهواء المطرود إلى خارج البرج معه البخار الناتج، وبالإضافة إلى ذلك فإن جزءًا من الحرارة المحسوسة تنتقل من الماء إلى الهواء، فترتفع درجة حرارة الهواء الخارج من البرج وكمية الرطوبة فيه أيضاً، ومن الواضح أن فعالية برج التبريد تعتمد بدرجة كبيرة على درجة الحرارة الرطبة للهواء عند دخوله إلى البرج مقاسةً ببصيلة ميزان الحرارة الرطب (Wet Bulb Thermometer)، فكلما كانت درجة حرارة الهواء المقاس ببصيلة ميزان الحرارة الرطب عند الدخول منخفضة زادت فعالية البرج.

إقرأ أيضا:المبردات Chillers – الجزء الأول
Cooling Towers Principles

من التطبيقات الشائعة لأبراج التبريد، استخدامها في توفير الماء المبرّد (Cooled Water) لعمليات تكييف الهواء (Air-Conditioning) والعمليات الصناعية وحتى في محطات إنتاج الطاقة الكهربائية. تختلف أحجام أبراج التبريد المستخدمة في التطبيقات آنفة الذكر، إذ تتوفرأبراج تبريد صغيرة الحجم، تعالج كميات من المياه تصل إلى بضعة ليترات في الدقيقة، تصل إلى البرج من خلال أنابيب صغيرة تشابه تلك الموجودة في المنازل والبيوت. وتتوفرأيضاً أبراج تبريد بحجم كبير إلى درجة أنها تعالج كميات من الماء تصل إلى مئات الآلاف من الليترات في الدقيقة والتي تصل إلى البرج من خلال أنابيب ضخمة يصل قطرها إلى خمسة أمتار، مثل تلك الموجودة في محطات انتاج الطاقة الكبيرة.

إقرأ أيضا:أبراج التبريد Cooling Towers – الجزء الثاني

أبراج التبريد عبارة عن مبادلات حرارية تعمل على تبريد المياه بالتبخير في حيز محدود وبكفاءة عالية، وهي تقسم إلى أنواع عديدة بناءاً على عوامل مختلفة (مثل كيفية تشكل تيار الهواء الساري في البرج ، وبناءاً على طريقة الاتصال بين الماء والهواء داخل البرج، وأيضاً بناءاً على الاتصال المباشر للماء والهواء أو غير المباشر داخل البرج).

للتعرف أكثر على أنواع أبراج التبريد، اطلع على المقال التالي:
أبراج التبريد – الجزء الثاني

  1. درجة الحرارة الرطبة للهواء عند دخوله البرج.
  2. مساحة سطح المياه المعرضة للهواء وفترة تعرضها، و استخدام الحشوات (Fills) ذات الفوائد العديدة، منها:
    – زيادة السطح المبتل و نشر الماء على أكبر قدر من المساحات.
    – زيادة وقت التعرض للهواء ووقت سقوط القطرات إلى حوض البرج مما يؤدي إلى إعطاء الماء فرصة أكبر ليبرد.
  3. سرعة سريان الهواء خلال البرج وشدته.
  4. اتجاه سريان الهواء بالنسبة للمياه المتساقطة (متوازي، متعاكس أو متعامد).

متى ما تواجد برج للتبريد في منشأة ما، فإنه من الضروري مراقبة البرج وتتبعه باستمرار ومعالجة المياه  الداخلة إليه والخارجة منه من المشاكل الرئيسية الأربعة (التلوث البيولوجي، الصدأ، التلوث بالأوساخ، وتكون القشور). كل هذه المشاكل تقلل من كفاءة برج التبريد وقدرته، وتزيد من استهلاك الطاقة فيه ومن تكاليف الصيانة اللازمة. هذه المشاكل وحلولها مذكورةٌ أدناه:

  • التلوث البيولوجي (Biological Contamination):
    أبراج التبريد بطبيعتها هي أماكن حارة ورطبة، ومع توفر العناصر الغذائية الشائعة والمتوفرة في معظم مصادر المياه، فهذا يجعلها مكان مثالي لنمو الملوثات البيولوجية غير المرغوب فيها، مثل البكتيريا والفطريات والطحالب. حيث تغطي هذه الملوثات بعض الأسطح الداخلية للبرج مثل الحشوات، مكونةً طبقةً رقيقة تسمى بالطبقة الحيوية (Biofilm)، وتؤدي إلى ضعف كفاءة البرج وضعف التبادل الحراري الذي يتم داخله (سعة التبريد) وقدرته.
    يتم معالجة أثار هذه المشكلة، بإضافة مواد كيميائية مثل الكلورين للماء الداخل للبرج بنسب مختلفة لفترة معينة من الوقت – بناءاً على كميات الملوثات الحيوية الموجودة – (في العادة 48 ساعة)، ومن ثم تغيير الماء كلياً داخل البرج بماء نظيف.
  • الصدأ (Corrosion):
    ينشأ الصدأ نتيجة لبعض التفاعلات الكيميائية التي تحصل بين الهواء والمعادن الصلبة في المياه الجارية مثل الصوديوم والمواد الكيميائية الأخرى على الأسطح الداخلية للبرج. وهنالك ثلاثة طرق لعلاج الصدأ الناشئ داخل البرج، هذه الطرق هي:
    – طلاء الإيبوكسي (Epoxy Coating) للأسطح الداخلية للبرج والأنابيب.
    – إضافة الفوسفات (Orthophosphate / Phosphate) للماء أثناء معالجته، مما يمنع التآكل ولكن يجب الحذر عند إضافته للماء، حيث أنه من الممكن أن يقوم بدور آخر كسماد لبعض أنواع الميكروبات والملوثات الحيوية ويزيد من تراكيزها في الماء.
    – رفع الرقم الهيدروجيني أو قيمة الحموضة (pH) للماء ليصبح قريباً من 9.0. مع ملاحظة أن لا ترتفع قيمة الرقم الهيدروجيني إلى رقم عالي (فوق ال 9.0)؛ لأنه من الممكن أن يؤثر في معالجة الملوثات الحيوية باستخدام الكلورين ويجعل منه غير مجدٍ.
    لذا، يمكن للتوازن الدقيق في استخدام هذه الطرق الثلاث إلى إطالة عمر برج التبريد ومكوناته، وحمايته من الصدأ بشكل جيد جداً.
الصدأ
  • التلوث بالأوساخ (Fouling):
    من الممكن أن يحدث التلوث بالأوساخ في مناطق مختلفة داخل أبراج التبريد، إلا أن الحشوات هي المواقع الأساسية التي عادةً ما تتلوث بالأوساخ. هذه الأوساخ التي تكون على شكل طمي أو طين وأتربة أو غبار تعمل على إغلاق وانسداد أسطح التبريد والأنابيب مما يعني انخفاض كفاءة البرج بشكل كبير. وحينما لا يتمكن الماء من العبور والتلامس على أسطح الحشوات بسبب وجود الأوساخ، فإنه لا يتم تبادل حرارته مع الهواء بالشكل المطلوب، وبالتالي يحتاج نظام البرج إلى وقت أطول حتى يحقق التبادل المرجو، مما يعني إستهلاكاً أكبر للطاقة وخسارات مادية أكبر.
    يمكن علاج الأوساخ باستخدام الكلورين، أو تغيير الحشوات والأنابيب المغلقة بالأوساخ وغيرها من المكونات التي يمكن استبدالها بأخرى جديدة، أو يمكن وضع فلاتر على مداخل الهواء والتنظيف الميكانيكي لمكونات الأبراج وقاعه إن أمكن.
التلوث بالأوساخ
  • تكون القشور (Scaling Formation):
    تنشأ القشور نتيجة ترسب المواد الصلبة غير المذابة في المياه (مثل الكالسيوم) على الأسطح الخارجية والداخلية للأنابيب والحشوات مكونة طبقة من القشور تمنع التبادل الحراري من الحدوث بالشكل المطلوب.
    طلاء الأنابيب بأنواع خاصة من الطلاء الذي يسمح بتبادل الحرارة بشكل جيد ويمنع ترسب الكالسيوم والمواد الصلبة غير المذابة على سطحه، يعد أحد أشكال العلاج لمشكلة تكون القشور. بالإضافة إلى التنظيف الميكانيكي وتصفية المياه داخل البرج كل فترة من الزمن، للحفاظ على أجزائه من تكون القشور عليها.
التكلسات

إعداد: م. حمزة العمايرة
تحرير وتدقيق: م. ماجدة الشريقي

السابق
الماء الناتج عن وحدات التناضح العكسي
التالي
أبراج التبريد Cooling Towers – الجزء الثاني

اترك تعليقاً