کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower
کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower به عنوان یکی از مهمترین تجهیزات در یک مجتمع صنعتی بحساب می‌آید. از برج خنک کننده برای خنک سازی آب استفاده می‌گردد و غالبا در انتهای فرایند نصب می‌شود. کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower دستگاهی است که با ایجاد سطح وسیع تماس آب با هوا، تبخیر را آسان می‌کند و باعث خنک شدن سریع آب می‌گردد. عمل خنک شدن در اثر از دست دادن گرمای نهان تبخیر انجام می‌گیرد و در حالی که مقدار کمی آب تبخیر می‌شود، باعث خنک شدن آب مجموعه می‌گردد.
در بیشتر دستگاه‌های انتقال حرارت نظير مبدل‌های حرارتی از آب به عنوان عامل انتقال گرما استفاده می‌شود. آب نقش جذب و دفع گرما را بر عهده دارد و با عمل انتقال حرارت، گرم می‌شود. برای به گردش در آوردن مجدد آب در سیستم لازم است که گرمای جذب شده توسط آب دفع شود و این کار توسط برج‌های خنک کننده مقدور می‌گردد.
آب دارای ویسکوزیته پایین و ضریب انتقال حرارتی بالا می‌باشد، لذا از قدرت سرد کنندگی بیشتری نسبت به اکثر مایعات (در حجم مساوی) برخوردار است و برای انتقال گرما بسیار مناسب می‌باشد. اما استفاده از آن سبب بروز مشکلاتی نیز می‌گردد که از آن جمله می‌توان به رسوب گذاری و خوردگی اشاره کرد، آب با سختی زیاد باعث رسوب سازی در تجهیزات می‌شود و از آنجایی که بیشتر تجهیزات از آلیاژ آهن ساخته می‌شوند مشکل خوردگی نیز بوجود می‌آید.
از طرف دیگر بدلیل اینکه بیشتر کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower در معرض مستقیم نور خورشید و برخورد با هوا قرار دارند در آنها محیط مناسبی برای رشد باکتریها و میکرو ارگانیسم‌ها فراهم می‌گردد.
در اینجا برای معرفی انواع کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower و ادامه مبحث، لازم است که در ابتدا سیستم آب گردشی معرفی و مطالبی در این خصوص ارائه گردد.
سیستم آب گردشی
سیستم آب گردشی، آب خنک مورد نیاز چگالنده ها، آب سیستم آتش نشانی، آب سیستم مولد بخار، و آب لازم برای مصارف عمومی را تأمین می‌کند و بصورت واسطه‌ای عمل می‌کند که توسط آن گرما از چرخه بخار به محیط دفع می‌شود. این سیستم در نیروگاههای هسته‌ای علاوه بر موارد فوق، آب خنک کن مورد نیاز ساختمان راکتور (که برای خنک کردن مدار بسته آب خنک کنی که جهت محدود کردن نشت مواد پرتوزا به محیط در نظر گرفته شده است. )، آب لازم برای رقیق سازی و دور ریزی پسماند‌های پرتوزا دفع شده از نیروگاه، و در صورت لزوم آب مورد نیاز برای دفع گرمای ناشی از واپاشی پرتوزا را تأمین می‌کند.
سیستم آب گردشی باید گرما را بطور موثر به محیط دفع کند و در عین حال با مقررات دفع گرما به محیط سازگار باشد. عملکرد خوب این سیستم در بازده نیروگاه اثر حیاتی دارد.
سیستم‌های آب گردشی به سه دسته زیر تقسیم بندی می‌شوند:
· سیستم آب گردشی یکبار گذر
· سیستم آب گردشی مدار بسته
· سیستم آب گردشی مرکب
سیستم آب گردشی یکبار گذر
در سیستم‌های یکبار گذر، آب از یک منبع طبیعی مانند رودخانه، دریاچه و یا اقیانوس گرفته می‌شود و به وسیله پمپ در لوله‌های چگالنده جریان می‌یابد. آب ضمن عبور از لوله‌ها گرم می‌شود و در نهایت به همان منبع اولیه خود تخلیه می‌گردد.
به طور کلی سه روش برای تخلیه آب وجود دارد که عبارتند از:
• تخلیه سطحی
• تخلیه عمقی
• تخلیه پخشی
در تخلیه سطحی، آب به صورت لایه نسبتا نازکی بر روی سطح آب منبع اصلی وارد می‌شود. این آب در نتیجه تبخیر و همچنین اختلاط با آب سردی که در زیر آن قرار دارد خنک می‌شود.
در تخلیه عمقی، آب بصورت یک جت شناور در زیر سطح آب منبع اصلی تخلیه می‌گردد. جت آب با آب سرد مخلوط می‌شود و نهایتا گرما در نتیجه تبخیر، از مخلوط دفع می‌شود.
در تخلیه پخشی، آب از طریق تعدادی شیپوره که روی یک لوله طويل شناور قرار دارند و لوله در سیستم آب جاری منبع اصلی تعبیه شده است، خارج می‌گردد. جت‌های آب خروجی را می‌توان در خلاف جهت جریان آب هدایت کرد تا اختلاط سریعتر صورت گیرد. در این روش نیز گرما در نتیجه تبخير دفع می‌گردد.
از لحاظ ترمودینامیکی، موثرترین روش برای دفع گرما استفاده از خنک سازی توسط سیستم یکبارگذر می‌باشد. در صورت در دسترس بودن منابع طبیعی آب، سیستم یکبار گذر به عنوان سیستمی با بازده بالا و برتر به شمار می‌رود.
سیستم آب گردشی مدار بسته
در مواردی که آب کمیاب است و با مصرف آبهای سطحی و مقدار گرمایش آنها توسط مقررات زیست محیطی محدود شده است، لازم است از سیستم‌های مدار بسته استفاده شود در سیستم‌های مدار بسته، آب از چگالنده گرفته شده و پس از گذشتن از دستگاه خنک کننده، دو باره به چگالنده باز می‌گردد.
انواع دستگاه‌های خنک کننده در سیستم‌های مدار بسته عبارتند از:
· برج‌های خنک کننده
· استخرهای افشانه‌ای
· کانال‌های افشانه ای
· دریاچه‌های خنک کننده
کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower می‌توانند از نوع مرطوب، نوع خشک و یا نوع مرطوب - خشک باشند که مورد اصلی بحث ما در این فصل می‌باشند و در ادامه به شرح آنها پرداخته خواهد شد.
استخرهای افشانه‌ای با استفاده از بادهایی که روی استخر می‌وزند کار می‌کنند و از طریق تبخیر موجب خنک شدن افشانه‌های آب می‌شوند.
کانال‌های افشانه‌ای مانند استخرهای افشانه‌ای هستند با این تفاوت که در آنها آب بصورت قطرات بزرگتری افشانده می‌شود. در این سیستم، اتلاف آب در نتیجه انتقال آن به همراه باد کاهش می‌یابد اما بدلیل اینکه آهنگ انتقال جرم کمتر است کارایی این سیستم نیز کمتر می‌باشد.
دریاچه‌های خنک کننده محل‌هایی هستند که در آنها آب بطور طبیعی و در نتیجه تابش و تبخیر خنک می‌شود. این نوع خنک کن نسبت به سه نوع قبلی کمترین کارایی را دارد. استفاده از دریاچه خنک کننده نیازمند محوطه وسیعی می‌باشد و در آن به وسایل مکانیکی کمتری احتیاج است.
بطور کلی سیستم مدار بسته نسبت به سیستم یکبار گذر دارای راندمان پایین تری می‌باشد.
سیستم آب گردشی مرکب
سیستم مرکب از مجموعه سیستم یکبار گذر به همراه سیستم مدار بسته که معمولا کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower می‌باشد، تشکیل می‌شود. در سیستم مرکب، آب از منبع طبیعی برداشت شده و بعد از گرم شدن، عملیات خنک سازی آن توسط برج خنک کننده انجام می‌شود.
اگر آب از منبع طبیعی وارد چگالنده شود و بعد از آن آب گرم خروجی از چگالنده وارد برج شده و سپس به منبع طبیعی خود آزاد گردد، در این حالت می‌گویند برج خنک کننده به روش باز یا اختلاف نهایی کار می‌کند.
در حالتی دیگر آب گرم خروجی از چگالنده به همراه آب جبرانی از منبع طبیعی وارد برج می‌شوند و خروجی کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Towerمجددا به چگالنده ارسال می‌گردد، که در این شرایط می‌گویند کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower به روش کمک رسان کار می‌کند. این روش برای زمان‌هایی معین که به دمای آب منبع طبیعی جهت ورود مستقیم به چگالنده نمی‌توان اعتماد کرد استفاده می‌شود.
انواع کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower
در یک تقسیم بندی کلی، انواع کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower در سه دسته زیر قرار می‌گیرند:
• کولینگ تاور یا برج خنک کننده مرطوب (Wet Cooling Tower)
• کولینگ تاور یا برج خنک کننده خشک (Dry Cooling Tower)
• کولینگ تاور یا برج خنک کننده مرطوب - خشک (Wet - Dry Cooling Tower)
کولینگ تاور یا برج خنک کننده مرطوب (Wet Cooling Tower)
در کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower انتقال گرما به محیط از طریق تبخیر بخشی از آب گردشی و همچنین افزودن گرمای محسوس به هوا، انجام می‌گیرد. اگر برج به روش باز کار کند مکانیزم دیگری نیز جهت انتقال گرما وجود دارد که عبارت است از اضافه کردن گرمای محسوس به منبع طبیعی آب از طريق اختلاف دمای نهایی.
کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower مرطوب دارای یک سیستم توزیع کننده آب است که آب را بطور یکنواخت بر روی شبکه‌ای متشکل از میله‌های افقی نزدیک به هم به نام پکینگ می‌افشاند. آب در نتیجه نیروی ثقل از یک پکینگ به پکینگ دیگر می‌ریزد و هوا نیز از پکینگ‌ها جریان می‌یابد، بدین ترتیب پکینگ‌ها موجب اختلاط کامل آب و هوا می‌شوند. اختلاط کامل آب و هوا سبب تشدید انتقال گرما و جرم از طریق تبخیر می‌شود که این امر موجب خنک شدن آب می‌گردد. هوای بیرون از طریق دریچه‌های هوا که به شکل مجاری افقی هستند و در جوانب برج قرار دارند وارد برج می‌شود. این مجاری‌های هوا معمولا دارای شیبی متمایل به پایین هستند تا آب در داخل برج بماند. در ته برج خنک کننده یک حوضچه بتونی وجود دارد که آب خنک شده در آنجا جمع می‌شود و سپس توسط پمپ به چگالنده (در روش بسته یا کمک رسان )، و یا به منبع طبیعی آب (در روش باز) ارسال می‌گردد. هوای گرم و مرطوب نیز از قسمت بالایی برج خارج می‌گردد.
بخشی از گرما که از طریق تبخير دفع می‌شود به شرایط اقلیمی بستگی دارد و معمولا مقدار آن در هوای گرم ۷۵ درصد و در هوای سرد ۶۰ درصد است. بقیه گرمای دفع شده عمدتأ صرف گرمایش هوا می‌شود و مقدار آن در هوای سرد بیشتر از هوای گرم می‌باشد. بعضی از کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower مرطوب این امکان را فراهم می‌کنند که ۸۰ الی ۹۰ درصد خنک کنندگی توسط تبخیر انجام شود و ۱۰ الی ۲۰ درصد خنک کنندگی از تبادل گرمای محسوس بین آب گرم و هوای سرد حاصل گردد. نسبت تبخیر، بیشتر بستگی به رطوبت هوائی دارد که با آب در تماس است بنابراین می‌توان گفت راندمان برج در هوای رطوبت دار نسبت به هوای خشک، کاهش می‌یابد.
مقدار آب تخلیه شده از برج معمولا ۲۰ درصد می‌باشد. مقدار آبی که بر اثر تبخیر از دست می‌رود به درجه حرارت محیط، ارتفاع از سطح دریا و درجه حرارت نسبی بستگی دارد اما معمولا در محاسبات برای هر ۱۰ درجه فارنهایت افت درجه حرارت آب (منفی ۱۲ درجه سانتیگراد )، ۱ درصد مقدار آب در گردش را در نظر می‌گیرند، البته این مقدار در مناطق سردسیر کمتر می‌باشد. مقدار آب هدر رفته با جریان هوا بطور متوسط در حدود 2/0 درصد مقدار آبی است که برای مدت یک ساعت در مدار گردش می‌کند.
برای تأمین آب تخلیه شده از کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower، آب تبخیر شده و آب هدر رفته با جریان هوا، به آب جبرانی (Make Up) نیاز است
همواره مقداری آب از سیستم آب گردشی خارج می‌گردد و جای آن را آب تازه می‌گیرد. این عمل به منظور کنترل غلظت آب و میزان املاح محلول در آن صورت می‌پذیرد. آب تازه علاوه بر جبران آبهای هدر رفته باعث بهبودی عمل تبخیر می‌شود و غلظت نمک‌ها و سایر ناخالصی‌ها را در حد پایین نگه می‌دارد. در غیر این صورت غلظت نمک‌ها همچنان که آب تبخیر می‌شود بطور پیوسته افزایش می‌یابد و این افزایش غلظت آب بیش از حد مجاز سبب بروز مشکلاتی در سیستم‌های توزیع آب می‌گردد. آب فوق الذکر توسط مسیر زیر آب (Blow Down) از سیستم در حال گردش خارج می‌گردد.
انواع کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower مرطوب
کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower مرطوب با توجه به نوع ایجاد جریان هوا، به دو دسته زیر تقسیم بندی می‌شوند:
· کولینگ تاور یا برج خنک کننده مرطوب با جریان مکانیکی هوا (Mechanical Draft)
· کولینگ تاور یا برج خنک کننده مرطوب با جریان طبیعی هوا (Natural Draft)
در هر یک از برج‌های فوق الذکر، جهت جریان می‌تواند بصورت ناهمسو و یا متقارن برقرار گردد، بنابراین آنها را می‌توان بصورت زیر نوشت:
· کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower مرطوب با جریان مکانیکی ناهمسو
· کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower با جریان مکانیکی متقاطع
· کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower با جریان طبیعی ناهمسو
· کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower مرطوب با جریان طبیعی متقاطع
نوعی کولینگ تاور یا کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower مرطوب به نام برج خنک کننده مرطوب پیوندی، نیز وجود دارد که جریان هوا در آن هم بصورت مکانیکی و هم بصورت طبیعی ایجاد می‌شود. این کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower در ادامه مباحث معرفی می‌گردد.
کولینگ تاور یا برج خنک کننده مرطوب با جریان مکانیکی هوا
در این برج‌ها جریان هوا توسط یک یا چند دمنده ایجاد می‌گردد. دمنده‌ها می‌توانند در پایین و یا در بالای برج قرار بگیرند.
اگر دمنده در پایین برج قرار بگیرد به آن، دمنده از نوع جریان اجباری می‌گویند. در این حالت، هوا از پایین وارد برج می‌شود و باعث می‌گردد که دمنده در هوای سردتر کار کند و متعاقب آن انرژی کمتری را مصرف کند که این امر از دیدگاه نظری باعث برتری برج می‌گردد. اما این نوع دمنده دارای معایبی می‌باشد که عبارتند از مسائل مربوط به توزیع هوا و نشت، گردش مجدد هوای گرم و مرطوب خروجی برج و مسئله یخ زدگی در قسمت وروردی برج در فصل زمستان. بروز معایب فوق الذكر سبب شده است که از دمنده‌ها در پایین برج کمتر استفاده شود.
غالباً دمنده در بالای برج قرار می‌گیرد که به آن، دمنده از نوع جریان مکشی می‌گویند. جریان هوا از طریق دریچه‌های تعبیه شده در جوانب برج با سرعت کم وارد برج می‌شود و از پکینگ‌ها می‌گذرد و در نهایت هوای گرم و مرطوب از بالای برج به جو تخلیه می‌شود. برج خنک کن با جریان.
مکشی هوا معمولا از چند خانه تشکیل می‌شود که هر یک دارای دمنده در قسمت بالا می‌باشد. این کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower به صورت‌های مختلفی مانند دایره ای، چند وجهی و یا مستطیلی ساخته می‌شوند.
اگر جریان هوا در پکینگ‌ها بصورت عمودی باشد برج را برج با جریان ناهمسو (Counter Flow) می‌گویند و اگر جریان بصورت افقی باشد برج را برج با جریان متقاطع (Cross Flow) می‌نامند. لازم به ذکر است که جریان هوا در خود برج تقریبا بصورت افقی می‌باشد.
کولینگ تاور یا مرطوب با جریان مکانیکی هوا هنگامی مناسب هستند که اختلاف بین دمای آب سرد خروجی و دمای حباب مرطوب هوای بیرون کم و مقدار جریان آب زیاد باشد. این کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower بدلیل اینکه بصورت واحد‌های چند خانه‌ای ساخته می‌شوند که هر یک دارای دمنده‌ای با جریان هوای متغیر است، در مقابل تغییرات پارامترهای خنک شوندگی و تقاضا از انعطاف پذیری و پاسخ دهی خوبی برخوردار هستند.
از دیگر مزایای این برج‌ها می‌توان به اطمینان به جابجایی مقدار هوای مورد نیاز تحت بارها و شرایط اقلیمی متفاوت، هزینه کم سرمایه گذاری و ساخت، و نمای فیزیکی کوتاه تر اشاره کرد. و از جمله معایب آنها می‌توان داشتن سر و صدای زیاد، مصرف انرژی بیشتر و هزینه‌های کارکردی و تعمیراتی زیاد را نام برد.
کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower مرطوب با جریان طبیعی هوا
اولین کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower مرطوب با جریان طبیعی هوا از چوب و در هلند ساخته شد. بعد‌ها در ساخت آنها از فولاد استفاده شد و امروزه آنها را از بتون تقویت شده می‌سازند. در گذشته این برج‌ها بصورت تقریبا استوانه‌ای شکل ساخته می‌شدند که قسمت فوقانی آنها به شکل مخروط ناقص وارونه بود، ولی امروزه این برج‌ها را به شکل هذلولی دوار می‌سازند که اولین آن در سال ۱۹۷۲ در ایالات متحده آمریکا ساخته شد.
در کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower مرطوب با جریان طبیعی هوا از دمنده‌ها استفاده نمی‌شود و جریان هوا در آنها به فشار محرک طبیعی ناشی از اختلاف چگالی هوای سرد بیرون برج و هوای گرم و مرطوب داخل برج بستگی دارد. فشار محرک می‌بایست معادل افت فشار هوا در برج باشد. چون اختلاف بین چگالی هوای بیرون برج و چگالی هوای داخل برج در خروج از پکینگ نسبتا کوچک است لذا باید ارتفاع کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower از پکینگ به اندازه کافی بزرگ باشد تا فشار محرک مورد نظر بدست آید. از این رو، برج‌های خنک کن مرطوب با جریان طبیعی هوا بسیار بلند ساخته می‌شوند و ارتفاع آنها گاها به چند صد فوت (مثلا ۴۰۰ فوت معادل ۱۲۰ متر) می‌رسد.
بدنه کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower واقع در بالای سیستم آب پکینگ بصورت پوسته تو خالی با مقطع دایره‌ای است اما نمای عمودی آن به شکل هذلولی می‌باشد. به همین خاطر به این نوع برج، برج هذلولی نیز می‌گویند.
ثابت شده است که نمای هذلولی دارای استحکام بیشتری است و در مقایسه با سایر اشکال بیشترین مقاومت را در مقابل نیروی باد خارجی (فشار ناشی از باد‌های شدید) نشان می‌دهد. برج‌های هذلولی از مقدار بسیار زیادی بتون تقویت شده ساخته می‌شوند و روی ستون‌های نگه دارنده مورب واقع در حوضچه کم عمق آب قرار می‌گیرند. ضخامت این برج‌ها در قسمت کمر برابر ۶ تا ۷ اینچ می‌باشد.
این کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower بصورت جریان ناهمسو و جریان متقاطع وجود دارند. در برج جریان ناهمسو، پکینگ در داخل برج و بالاتر از ستون‌های مورب قرار می‌گیرد و مساحت گسترده‌ای را می‌پوشاند و دارای عمق کمتری می‌باشد. اما در برج جریان متقاطع، پکینگ در بیرون برج و خارج از ستون‌های مورب حول نقطه‌ای قرار می‌گیرد. لازم به ذکر است که در این برج‌ها، نوع جریان ناهمسو دارای کاربرد گسترده تری می‌باشد و بیشترین میزان سفارش را دارد.
برج‌های خنک کننده مرطوب با جریان طبیعی هوا هنگامی مناسب هستند که دمای آب ورودی و خروجی چگالنده بالا و دمای حباب مرطوب پایین باشد، این بدین معنی است که اختلاف دما می‌بایست زیاد باشد. این برج‌ها در مناطقی که بارش‌های زمستانی سختی دارند و در شرایط اقلیمی سرد و مرطوب با دمای حباب تر پایین و رطوبت نسبی بالا بکار می‌روند. این برج‌ها دارای هزینه سرمایه گذاری و ساخت بسیار بالایی می‌باشند و به همین خاطر از دیدگاه اقتصادی وقتی مطلوب هستند که زمان استهلاک شان طولانی باشد. معمولا این نوع کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower برای نیروگاههای بسیار بزرگ مناسب هستند.
به طور کلی باید گفت که انتخاب نوع کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower بسته به عوامل متعددی است که مهمترین آنها شرایط اقلیمی و ملاحظات اقتصادی می‌باشد. در مورد مرز انتخاب بین برج با جریان ناهمسو و برج با جریان متقاطع می‌توان به این نکته اشاره کرد که در برج با جریان متقاطع، مقاومت در مقابل جریان هوا اندک است لذا سرعت هوا بیشتر می‌گردد که در نتیجه آن کارایی کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Towerکاهش می‌یابد ولی در برج با جریان ناهمسو، بدلیل اینکه هوا دارای سرعت کمتری می‌باشد کارایی کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower افزایش می‌یابد.
همان طور که ملاحظه می‌شود هر نوع کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower دارای محاسن و معایب خاص خود می‌باشند و انتخاب نوع برج به مورد کاربرد آن بستگی دارد.
کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower مرطوب پیوندی
در این برج، جریان هوا هم بصورت مکانیکی و هم بصورت طبیعی فراهم می‌گردد. با توجه به مطالبی که در بالا ارائه شد می‌دانیم که برج‌های خنک کننده مرطوب با جریان طبیعی هوا، بسیار بزرگ و مرتفع می‌باشند و به زمین بزرگی نیاز دارند ولی در مقابل انرژی کمی مصرف می‌کنند.
برج‌های خنک کننده مرطوب با جریان مکانیکی هوا از نوع جریان اجباری هر چند که کوچکتر و ارزانتر هستند اما انرژی بیشتری مصرف می‌کنند و همچنین عیب مهم دیگر آنها جریان مجدد هوای گرم و مرطوب از داخل برج می‌باشد. بنابراین داشتن یک برج خنک کننده هذلولی شکل مجهز به دمنده اجباری، می‌تواند ویژگی‌های خوب برج‌های با جریان طبیعی و برج‌های با جریان مکانیکی اجباری را همزمان با هم فراهم کند. کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower مرطوب پیوندی برجی است که دارای پوسته هذلولی شکل از بتون تقویت شده می‌باشد که مشابه ولی کوچکتر از برج خنک کننده مرطوب طبیعی است، همچنین این برج تعدادی دمنده از نوع جریان اجباری دارد که در پیرامون پایه برج قرار می‌گیرند،
برای عملکرد یکسان، قطر پایه برج پیوندی تقریبا دو سوم قطر پایه برج با جریان طبیعی (با مساحت زیر بنای ۴۵ درصد) است و ارتفاع آن نیز نصف ارتفاع برج با جریان طبیعی می‌باشد.
در این نوع کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower کنترل جریان هوا با وجود دمنده‌ها بهتر از برج مرطوب با جریان طبیعی می‌باشد و مصرف انرژی در آنها کمتر از برج مرطوب با جریان مکانیکی می‌باشد. بدلیل داشتن سرعت و ارتفاع زیاد هوای خروجی در برج مرطوب پیوندی، مشکل جریان مجدد هوای گرم که در برج‌های مرطوب مکانیکی نوع اجباری وجود دارد از بین می‌رود. همچنین برج‌های مرطوب پیوندی می‌توانند در فصل سرما بدون استفاده از دمنده بصورت برج‌های مرطوب با جریان طبیعی هوا بکار گرفته شوند.
لازم به ذکر است که هزینه ساخت برج مرطوب پیوندی رقمی بین هزینه‌های مربوط به برج‌های با جریان طبیعی و مکانیکی می‌باشد.
اجزاء اصلی کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower مرطوب
از اجزاء اصلی کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower مرطوب می‌توان به سیستم توزیع کننده آب گرم، پکینگ حذف کننده ها، کرکره ها، حوضچه برج، و دمنده اشاره کرد.
توزیع کننده آب گرم (Hot Water Distributer)، سیستمی است که آب گرم چگالنده را بطور یکنواخت بر روی پکینگ‌ها پخش می‌کند. این سیستم به سه دسته کلی زیر تقسیم بندی می‌شود:
· سیستم توزیع کننده ثقلی
· سیستم توزیع کننده افشانه‌ای
· سیستم توزیع کننده دوار
سیستم توزیع کننده ثقلی عمدتا در برج‌های جریان متقاطع بکار می‌رود و شامل بالابرنده‌های قائم آب گرم می‌باشد که آب را به یک حوضچه بتونی تغذیه می‌کنند و از آنجا آب در نتیجه نیروی ثقل از طریق روزنه‌هایی به پکینگ‌ها جریان می‌یابد.
سیستم توزیع کننده افشانه‌ای عمدتا در برج‌های جریان ناهمسو بکار می‌رود و دارای لوله‌های عرضی مجهز به شیپوره‌های افشانه‌ای رو به پایین می‌باشد.
سیستم توزیع کننده دوار شامل دو بازوی توزیع کننده شیار دار است که حول محور مرکزی می‌چرخند و آب تحت فشار از طریق آن وارد می‌شود. شیار‌ها رو به پایین ولی اندکی متمایل به یک سمت قرار می‌گیرند که این امر منجر به تشکیل یک پرده آب تحت زاویه‌ای می‌شود و نیروی عکس العملی بوجود می‌آورد که بازو‌ها را با سرعت ۲۵ تا ۳۰ دور در دقیقه می‌چرخاند، سرعت چرخش را می‌توان با تنظیم زاوية شیار تغییر داد.
پکینگ‌ها (Fill) در واقع قلب برج خنک کن بشمار می‌روند. در مورد ویژگی آنها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
• برقراری تماس خوب بین هوا و آب به منظور بالا بردن آهنگ انتقال گرما و جرم
• کاهش مقاومت در مقابل جریان هوا
• محکم و سبک باشد
• کیفیت کارش به مرور زمان تنزل نکند
• پکینگ‌ها به دو دسته کلی زیر تقسیم بندی می‌شوند:
• پکینگ پاشنده
• پکینگ غشایی یا ناپاشنده
پکینگ پاشنده از میله‌هایی که در سطوح مختلف روی هم چیده می‌شوند ساخته می‌شود. در این نوع پکینگ، آب بصورت قطراتی از سطح به سطح دیگر فرو می‌ریزد و انتقال گرما و جرم بخوبی انجام می‌گیرد. میله‌ها اشکال مختلفی دارند که به شکل باریک، چهار گوش، شبکه‌ای، و صاف یا ناصاف می‌باشند. این میله‌ها از مواد مختلفی نظیر چوب قرمز، پلی اتیلن و یا پلی استیرین بسیار فشرده ساخته می‌شوند.
پکینگ غشایی معمولا از صفحات عمودی ساخته می‌شود که دارای سطح ناصاف می‌باشند و از خاصیت جذب سطحی برخوردارند. در این نوع پکینگ، صفحات به خوبی خیس می‌شوند و به آب این امکان را می‌دهند که بصورت غشایی چسبیده به صفحات عمودی فرو ریزد. به این ترتیب، بدون اینکه آب به صورت قطره قطره در آید، بیشترین سطح آب در تماس با هوا قرار می‌گیرد. پکینگ غشایی مقاومت اندکی در مقابل جریان هوا نشان می‌دهد و ارتفاع کلی آن از پکینگ پاشنده کمتر است. پکینگ غشایی دارای اشکال مختلفی است و از مواد مختلفی نیز ساخته می‌شود که از آن جمله می‌توان به لایه‌های کوچک چوب قرمز، صفحات سلولزی چین دار، صفحات پنبه نسوز - سیمان، و صفحات موج دار فلزی و پلاستیکی اشاره کرد.
همواره در یک کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower مرطوب مقداری آب بصورت قطرات ریز به همراه هوا از برج خارج می‌گردد لذا این مقدار آب از سیستم آب گردشی هدر می‌رود و در دفع گرما از طریق تبخیر سهمی ندارد. با قرار دادن حذف کننده‌ها (Drift Eliminator) می‌توان مقدار آب هدر رفته در برج خنک کننده مرطوب را کاهش داد.
حذف کننده‌ها تیغه‌هایی هستند که در یک یا دو، و یا سه ردیف قرار می‌گیرند که توسط این تیغه‌ها جهت هوا بطور ناگهانی تغییر می‌کند. اندازه حرکت قطرات سنگین تر باعث جدا شدن آنها از هوا می‌گردد بطوری که این قطرات با تیغه‌ها برخورد می‌کنند و در نتیجه غشاء مایع نازکی تشکیل می‌شود و به درون برج فرو می‌ریزد. این تیغه از جنس چوب یا فلز یا پلاستیک ساخته می‌شوند.
حذف کننده‌ها در قسمت خروجی هوا از پکینگ قرار می‌گیرند. آنها را در برج‌های جریان ناهمسو در بالای برج، و در برج‌های جریان متقاطع در پهلوی برج قرار می‌دهند.
پیشگیری ۱۰۰ درصد از هدر رفت آب امکان پذیر نیست ولی با طراحی خوب سیستم حذف کننده می‌توان مقدار آب هدر رفته را به کمتر از 0.2درصد آب گردشی کاهش داد. البته باید آب هدر رفته توسط سیستم آب جیرانی تأمین گردد.
کرکره‌ها یا بادگیرها (Louver) دریچه‌هایی هستند که در قسمت خارجی بدنه برج قرار می‌گیرند و هوای لازم جهت تبادل حرارت با آب گرم، با عبور از آنها وارد برج می‌شود. کرکره‌ها از جنس بتونی و یا فلزی ساخته می‌شوند و بخاطر اینکه آب در برج باقی بماند معمولا بصورت افقی و با شیبی به سمت پایین قرار می‌گیرند. بعضی از کرکره‌های فلزی، قابل تنظیم هستند و می‌توان زواية آنها را کم و زیاد کرد.
حوضچه آب سرد (Cold Water Basin) در پایین برج قرار می‌گیرد و آب را قبل از آنکه به چگالنده پمپ شود (در روش بسته) جمع آوری و صاف می‌کند. آب جبرانی سیستم آب گردشی نیز وارد حوضچه برج می‌شود. حوضچه معمولا از بتون ساخته می‌شود و اندازه آن طوری است که برج می‌تواند چند ساعت بدون افزایش آب جبرانی بکار خود ادامه دهد. خروج آب از حوضچه از طریق یک کانال شیبدار واقع در ته آن و پس از عبور از توری‌هایی انجام می‌شود که این توری‌ها مانع از ورود مواد زائد به پمپ‌ها می‌شوند.
دمنده‌ها (Fan) معمولا بزرگ و دارای چندین پره هستند. قطر حرکتی آنها از ۲ تا ۳۳ فوت (6/0 تا 10 متر) می‌باشد و توسط موتورهای الکتریکی با ظرفیتی معادل hp ۲۵۰ تغذیه می‌شوند.
سرعت آنها را می‌توان از طریق جعبه دنده کاهنده کاهش داد. دمنده‌ها از نوع پروانه‌ای هستند که می‌توانند هوا را با آهنگ‌های حجمی زیاد و فشارهای استاتیکی نسبتا پایین جابجا کنند. پره‌های آنها، برای اینکه مقدار مصرف انرژی بسته به مقدار بار و شرایط اقلیمی حداقل باشد، قابل تنظیم هستند. جنس پره‌ها معمولا از فایبر گلاس، آلومینیوم ریخته شده و فولاد زنگ نزن می‌باشد ولی پره‌های پلاستیکی و چوبی نیز ساخته می‌شوند.
کیفیت آب گردشی و آلودگی ناشی از آب تخلیه شده
آب گردشی محیط مناسبی برای رشد موجودات ریز محسوب می‌شود. این آب، گرم و گازدار است و حاوی مواد معلق با رسانندگی نسبتا بالا می‌باشد. آب گردشی همواره خورنده است و باید به آن مواد ضد خورندگی نظیر کرومات‌ها افزوده شود. برای جلوگیری از رسوب گذاری و پوشیده شدن سطوح تبادل گرما، به مواد ضد رسوب نظیر اسید سولفوریک نیاز می‌باشد.
ماده لجنی که از طریق هوا وارد کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower می‌شود معمولا بصورت ماده چسبناک کوچکی که دفع آن مشکل است در می‌آید، اما با استفاده از مواد شیمیایی نظیر پلی الکترولیت‌ها می‌توان آنها را دفع نمود. این مواد باعث جاری شدن ذرات لجن در آب می‌شوند و آنها را بصورت معلق نگه می‌دارند و امکان ته نشین شدن ذرات در ته حوضچه را فراهم می‌کنند و در این صورت می‌توان آنها را به شكل لجن خارج کرد.
علاوه بر مسئله پوشش سطوح تبادل گرما، رشد موجودات ریز زیست محیطی نظیر جلبک‌ها و کیک‌ها و باکتریها نیز در ایجاد خوردگی از طریق پناه گرفتن در سطوح فلزی و در نتیجه تولید هسته‌های تمرکز اکسیژن سهیم است، همچنین از تجزیه این موجودات، H2S و CO2 و دیگر محصولات تولید می‌شوند که به نوبه خود خورنده هستند. از کلر و مواد ضد باکتری برای از بین بردن موجودات ریز استفاده می‌شود اما باید توجه داشت که این موجودات در مقابل کلر در صورتی که به تنهایی مورد استفاده قرار گیرد، مقاوم هستند.
به دلیل مواد افزودنی فوق الذكر، تخلیه کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower می‌تواند منبع آلودگی غیر قابل قبولی برای منابع طبیعی آب بشمار رود. آب تخلیه شده شامل مواد معدنی و شیمیایی متعددی نظیر کرومات هاء فسفات‌های مختلف، ترکیبات آلی و غیر آلى، و فلزات سنگین می‌باشد. به همین خاطر انتقال آب تخلیه شده باید با احتیاط صورت گیرد.
آب تخلیه شده را با توجه به اندازه نیروگاه و مقدار مواد آلوده کننده آن، ممکن است بتوان به یکباره به منبع خود تخلیه کرد، اما گاهی اوقات باید قبل از برگشت به منبع مورد تصفیه قرار گیرد. در حالتی دیگر می‌توان آن را با سایر آبهای پسمانده مانند آب تخلیه دیگ و ... مخلوط کرد و همه را در تأسیسات واحدی تصفیه نمود.
یک نمونه از تصفیه عبارت است از دفع کرومات‌ها با تبدیل آنها از شکل شش بنیانی به شکل سه بنیانی به کمک FeSO4، و آنگاه ته نشین کردن آنها بصورت Cr(OH)3 از طریق افزایش PH بوسيله آهک، (یا بوسیله یک جریان قلیایی که در جای دیگری از نیروگاه تأمین می‌شود).
کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower خشک (Dry Cooling Tower)
در این برج‌ها، آب گردشی از داخل لوله‌های پره دار می‌گذرد و هوای خنک کننده از روی لوله‌ها عبور می‌کند. بنابراین همه گرمای دفع شده از آب گردشی بصورت گرمای محسوس به هوای خنک کننده داده می‌شود.
کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower خشک نسبت به کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower مرطوب دارای هزینه نگهداری کمتری می‌باشند و به مواد شیمیایی و تمیز کاری متناوب نیاز ندارند، ولی قابلیت کمتری برای انتقال گرما دارند و از بازده کمتری برخوردارند و هنگامی که دمای محیط بالا باشد کارایی آنها کمتر نیز می‌شود.
کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower با ابعاد کوچک، بطور گسترده در تاسیساتی نظیر فرایند‌های سرمایش صنعتی، تهویه مطبوع، و مبدل‌های حرارتی خنک شونده با هوای جو، استفاده می‌شوند.
در نیروگاه‌ها می‌توان با استفاده از کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower، محل نیروگاه را بدون توجه به وجود منابع بزرگ آب انتخاب کرد. در نتیجه نیروگاه را می‌توان در نزدیکی منابع غنی سوخت احداث کرد که در این صورت هزینه‌های حمل و نقل سوخت از بین می‌رود، و یا اینکه می‌توان نیروگاه را در نزدیکی مراکز توزیع بار احداث نمود که در این شرایط هزینه‌های مربوط به انتقال برق از بین می‌رود. همچنین با استفاده از این برج‌ها می‌توان نیروگاهی را که بدلیل عدم وجود منابع آب کافی امکان توسعه ندارد را توسعه بخشید که در این صورت افزایش ظرفیت نیروگاه با کاهش منابع آب در دسترس، فراهم شده است.
استفاده از کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower خشک با توجه به محدودیت‌های روز افزونی که مقررات زیست محیطی بر آلودگی‌های ناشی از سیستم‌های یکبار گذر و برج‌های خنک کننده مرطوب اعمال می‌کنند اهمیت بیشتری می‌یابد. از جمله این آلودگی‌ها می‌توان به آلودگی گرمایی سیستم‌های یکبار گذر، آلودگی تخلیه، مسئله مه گرفتگی و یخ زدگی ناشی از برج‌های مرطوب اشاره کرد.
انواع کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower خشک
کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower خشک فقط به روش بسته عمل می‌کنند و جریان هوا در آنها می‌تواند هم بصورت مکانیکی و هم بصورت طبیعی فراهم گردد. این برج‌ها به دو دسته کلی زیر تقسیم بندی می‌شوند؛
· کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower خشک مستقیم (Direct Dry Cooling Tower)
· کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower خشک غیر مستقیم (Indirect Dry Cooling Tower)
کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower خشک مستقیم
در این سیستم، چگالنده (Condenser) با برج ادغام می‌شود. بخار خروجی توربین از طریق لوله‌های قطوری که در آنها افت فشار اندک است وارد یک تقسیم کننده بخار می‌شود. سپس بخار در تعداد زیادی لوله پره دار با کویل موازی به طرف پایین جریان می‌یابد و به مایع تبدیل می‌شود. لوله‌ها توسط جریان هوای جو (در یک برج با جریان طبیعی)، و یا بوسیله یک دمنده با جریان اجباری، خنک می‌شوند.
بخار چگالش یافته در نتیجه نیروی ثقل به مقسم‌های دریافت کننده آن جریان می‌یابد و از آنجا توسط پمپ به سیستم آب تغذیه پمپ می‌شود. در برج خنک کننده خشک مستقیم، مانند چگالنده سطحی برای خارج سازی گازهای چگالش ناپذیر و هوا از دستگاهی استفاده می‌شود. همچنین سیستمی نیز برای ممانعت از یخ بستن در هوای سرد در نظر گرفته می‌شود.
عیب سیستم‌های خشک در این است که خط لوله‌های خنک شونده بالا می‌باشد و به لوله‌های بخار بزرگ نیاز است. همچنین استفاده از این برج‌ها به نیروگاههای نسبتا کوچک محدود می‌شود.
کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower خشک غیر مستقیم
بطور کلی سه طرح برای کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower خشک غیر مستقیم وجود دارد.
- طرح اول: در طرح اول، از چگالنده‌های سطحی متداول استفاده می‌شود. آب گردشی که از چگالنده خارج می‌شود از لوله‌های پره دار عبور می‌کند و این لوله‌ها بوسیله هوا در برج خنک می‌شوند. جریان هوا می‌تواند بطور طبیعی و یا توسط دمنده از نوع جریان مکشی فراهم گردد. در این طرح از دو مبادله کن گرما که پشت سر هم قرار می‌گیرند استفاده می‌شود و دو نوع افت دما صورت می‌گیرد که یکی بین آب و بخار، و دیگری بین آب و هوا می‌باشد.
- طرح دوم: در طرح دوم، مدار آب که به عنوان یک واسطه عمل می‌کند حذف می‌شود و از چگالنده باز یا تماس مستقیم استفاده می‌شود. به این نوع چگالنده، چگالنده جت یا افسانه‌ای نیز می‌گویند.
بدلیل اینکه کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower خشک به روش بسته کار می‌کنند، ناخالصی‌های آبهای سطحی و جو از طریق آب جبرانی وارد سیستم نمی‌شوند، لذا آب گردشی می‌تواند با بخار خارج شده از توربین در یک چگالنده باز مخلوط شود.
بخار خروجی توربین وارد چگالنده باز می‌شود و در آنجا آب گردشی سرد، جهت برقراری تماس نزدیک با بخار، به داخل بخار افشانده می‌شود. آب چگالیده به ته چگالنده می‌ریزد و بخش مهمی از آن بوسیله یک پمپ گردشی با فشار خروجی مثبت از لوله‌های پره دار یا کویل‌های واقع در برج عبور می‌کند و پس از خنک شدن به افشانه‌های چگالنده باز می‌گردد. بقیه آب چگالیده که معادل جریان جرمی بخار است توسط پمپ به سیستم آب تغذیه پمپ می‌شود.
در این طرح جریان هوا می‌تواند بطور طبیعی و یا توسط دمنده از نوع جریان اجباری فراهم گردد. با استفاده از تصفیه کننده آب چگالیده می‌توان کیفیت آب گردشی را در حد کیفیت آب چگالیده نگه داشت، به دلخواه می‌توان از یک توربین بازیافت انرژی آب استفاده کرد. این توربین بین خروجی برج و ورودی چگالنده قرار می‌گیرد و به محور رانشی پمپ آب گردشی متصل است تا بخشی از کار پمپ را بازیافت کند.
انتظار می‌رود که استفاده از سیستم غیر مستقیم در نیروگاههای بزرگ، کارآمدتر، اقتصادی تر و عملی تر باشد.
- طرح سوم: در طرح سوم، از یک خنک کننده در حال گردش که بصورت بخار است به جای آب استفاده می‌شود، می‌توان از آمونیاک به عنوان عامل انتقال گرما بین بخار آب و هوا استفاده کرد.
استفاده از آمونیاک باعث می‌شود که انتقال گرما در لوله‌های چگالنده در نتیجه تبخیر آمونیاک، و در لوله‌های برج در نتیجه چگالش آن صورت گیرد. وقتی که انتقال گرما در نتیجه تبخیر و چگالش صورت می‌گیرد، ضرایب انتقال گرما در قسمت لوله بسیار بالاتر از وقتی است که شاره بصورت تک فازه می‌باشد و انتقال گرما به روش همرفت اجباری انجام می‌شود. لذا در نتیجه آن، اختلاف دما بین بخار و آمونیاک و بین آمونیاک و هوا کاهش می‌یابد و همچنین اندازه دستگاه‌ها کوچک شده و مصرف انرژی در آنها کم می‌شود.
آمونیاک تقریبا بصورت مایع اشباع وارد چگالنده سطحی می‌شود و بصورت بخار اشباع آن را ترک می‌کند. بخار آمونیاک از کویل‌های پره دار واقع در پایین برج جریان می‌یابد و پس از چگالش بصورت مایع اشباع در می‌آید. مایع اشباع آمونیاک به کمک پمپ به چگالنده باز می‌گردد.
در این سیستم، به ویژه در روزهای گرم، می‌توان از یک کمپرسور استفاده کرد. توسط کمپرسور می‌توان دمای بخار آمونیاک را به اندازه کافی به بیشتر از دمای هوا رساند و در نتیجه انتقال گرما را در برج تشدید کرد. با بکار گیری کمپرسور، این سیستم مشابه سیستم تبرید تراکمی بخار می‌شود. مقداری از کار کمپرسور را می‌توان با قرار دادن یک منبسط کننده (توربین) در خط مایع تأمین کرد.
بطور کلی افت کارایی در برج‌های خنک کننده خشک را که در دماهای بسیار گرم و یا به هنگام بالا بودن تقاضا اتفاق می‌افتد را می‌توان با روشهای زیر برطرف نمود:
· افشاندن آب به سطح بیرونی لوله‌ها، (بدین منظور ممکن است برج به شکلی طراحی شود که لوله‌های آن با پکینگی از نوع برج مرطوب احاطه شود)
· خنک کردن هوای ورودی، (این کار بوسیله پیش اشباع کردن هوا به کمک تبخیر آب و یا بوسیله دفع کردن گرمای محسوس انجام می‌شود)
· استفاده از برج خنک کننده کمکی مرطوب
· استفاده از سیستم آب گردشی کمکی اضافی با همان روش که برای برج آمونیاک در بالا مطرح شد
· استاده از برج خنک کننده مرطوب - خشک
کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower مرطوب - خشک (Wet Dry Cooling Tower)
این نوع برج بر اساس ترکیبی از خنک سازی برج مرطوب و برج خشک عمل می‌کند. در این برج در مسیر موازی برای هوا و دو مسیر متوالی برای آب وجود دارد و جریان هوا معمولا بصورت دمنده از نوع مکشی ایجاد می‌گردد. بخش خشک که شامل لوله‌های پره دار است در قسمت بالای برج و در زیر دمنده قرار می‌گیرد و بخش مرطوب که شامل پکینگ است در قسمت پایین برج که وسیعتر است قرار می‌گیرد.
آب گردشی گرم از طریق یک تقسیم کننده واقع در قسمت میانی وارد برج می‌شود. آب ابتدا از طریق لوله‌های پره دار واقع در بخش خشک در جهت بالا و پایین جریان می‌یابد و بعد از ترک این بخش، از طریق پکینگ واقع در بخش مرطوب در جهت حوضچه آب سرد به پایین می‌ریزد.
هوای محیط بصورت دو جریان هوا به داخل مکیده می‌شود و در قسمت‌های خشک و مرطوب جریان می‌یابد. این دو جریان هوا قبل از خروج از برج در داخل برج به هم می‌رسند و مخلوط می‌شوند. جریان اول هوا، خشک و گرم می‌باشد و دارای رطوبت نسبی پایینی است بنحوی که به هنگام خروج، از هوای محیط هم خشکتر است.، جریان دوم هوا معمولا بصورت اشباع می‌باشد. لذا با مخلوط شدن آنها، جریان غیر اشباع حاصل می‌شود و این جریان از برج خارج می‌گردد. برج خنک کننده مرطوب - خشک دارای دو مزیت اصلی می‌باشد؛
· بدلیل اینکه هوای خروجی غیر اشباع است، ستون بخار تشکیل شده نسبت به برج مرطوب کمتر مرئی است و در شرایط آب و هوایی مناسب کاملا از بین می‌رود.
· بدلیل اینکه آب در بخش خشک پیش خنک می‌شود، اتلاف آب بر اثر تبخیر و از این رو مقدار آب جبرانی به مقدار قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌یاید.
کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower مرطوب - خشک بطور گسترده در مواردی که دسترسی به آب در حد متوسط است و می‌خواهیم ستون بخار به میزان مناسب و نه کامل کاهش یابد، مورد استفاده قرار می‌گیرند.
نسبت گرمای دفع شده در بخش‌های مرطوب و خشک را می‌توان به هنگام طراحی و همچنین در حین کار کرد برج تنظیم نمود. برای مثال اگر مصرف آب مشکل اصلی باشد، بخش خشک برج بزرگتر از بخش مرطوب ساخته می‌شود. علاوه بر آن، مقدار تبخیر را می‌توان بوسیله دستگاه کنترلی که جریان هوا را در بخش مرطوب تنظیم می‌کند، کنترل کرد.
در هوای سرد زمستان با قطع جریان هوا در بخش مرطوب می‌توان از برج بصورت تقریبا خشک استفاده کرد. همچنین در هوای گرم که بخش خشک اثر نامطلوبی بر عملکرد دستگاه می‌گذارد می‌توان به کمک صفحه تنظیم دریچه مانندی که در مسیر هوای گرم و بین مبادله کن گرمای خشک و دمنده قرار می‌گیرد، جریان هوای بخش خشک را کاهش و جریان در بخش مرطوب را افزایش داد. البته لازم به ذکر است که این صفحه تنظیم هوا به علت ضرورت کنترل ستون بخار هیچگاه کاملا بسته نمی‌شود.
یخ زدگی در کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower
در هوای سرد كليهکولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Tower با مشکل یخ زدگی مواجه هستند. در برج‌های خنک کننده مرطوب ممکن است یخ در جایی تشکیل شود که هوای سرد ورودی برای اولین بار با آب تماس برقرار می‌کند. معمولا یخ روی دریچه‌های ورود هوا و یا روی نزدیکترین پکینگ به آنها تشکیل می‌شود. تشکیل یخ باعث محدود شدن جریان هوا و همچنین ایجاد خسارت به ساختمان برج می‌شود.
در برج‌های مرطوب با جریان طبیعی هوا، می‌توان با افزایش جریان آب گرم در محیط خارجی نزدیک به محل هوا شرایط را تحت کنترل در آورد و در نتیجه یخ را ذوب و از تشکیل یخ تازه جلوگیری کرد.
در برج‌های مرطوب با جریان مکانیکی هوا، مقدار یخ تشکیل شده با جریان هوا متناسب است. در این برج‌ها می‌توان یخ زدگی را، با کاهش سرعت دمنده، یا با خاموش کردن آن، و یا با استفاده از برج‌هایی که قابلیت تنظیم هوای ورودی را دارند، کنترل کرد. به این ترتیب خنک سازی کاهش می‌یابد و آب گرم موجب ذوب شدن یخ می‌گردد. در شرایط بسیار سخت سرما مانند زمستان‌های فوق العاده سرد و طولانی، می‌توان دمنده را معکوس کرد که در این صورت هوای گرم و آب هر دو به ذوب شدن یخ کمک می‌کنند. در برج‌های مرطوب با جریان مکانیکی هوا که بصورت چند خانه‌ای هستند معمولا در دوره‌های تشکیل یخ، دمنده‌ها را بطور متناوب به مدت ۱۲ ساعت خاموش می‌کنند.
در کولینگ تاور یا برج خنک کننده Cooling Towerخشک مسئله یخ زدگی بصورت یخ بستن آب خنک کن چگالنده در داخل لوله‌های مبادله کن گرما در هوای فوق العاده سرد بیرون بروز می‌کند. کمترین حجم ویژه آب (یا بیشترین چگالی آن) در دمای ۴ درجه سانتیگراد (۳۹ درجه فرانهایت) می‌باشد، هنگامی که آب در صفر درجه سانتیگراد بصورت یخ در می‌آید حجم ویژه آن در حدود ۱۰ درصد افزایش می‌یابد. حال اگر انبساط با مقاومتی مواجه نباشد مشکلی پیش نمی‌آید که نمونه آن تشکیل لایه یخ در سطح داخلی لوله‌ای است که آب از داخل آن می‌گذرد، ولی اگر توده‌ای از یخ لوله را مسدود کند یا جریان آب بوسیله شیری متوقف شود، در این شرایط افزایش حجم یخ و آب محبوس شده باعث بروز تنش‌های شدید در جدار لوله می‌شود.
هنگامی که جریان آب صد در صد است برج تحت بار کامل کار می‌کند، در این شرایط معمولا هیچ مشکلی حتی در زمستان‌های سرد نیز بوجود نمی‌آید. مشکل اصلی وقتی بروز می‌کند که دمای محیط بسیار پایین و بار برج کم باشد و یا هنگامی که برج یا قسمتی از آن خاموش است و آب به خوبی تخلیه نشده باشد.
تجزیه و تحلیل نظری انجماد آب در داخل لوله‌ها تحت شرایط ایستا (وقتی که آب ساکن است) و جریان پایا و شرایط گذرا، نسبتا مشکل است که در اینجا مورد بحث ما نخواهد بود. تحلیل این مسئله و نیز توصیه‌های لازم برای جلوگیری از تشکیل یخ در داخل لوله‌های برج خشک و یا نگه داشتن مقدار آن در حد مجاز را می‌توان در آخرین مرجع نام برده شده پیدا کرد.
