برج های خنک کن یا کولینگ تاور در اصل تجهیزات خنک کردن آب می باشند و وسیله ای می باشد که گرمای تولید شده توسط کندانسور را به محیط آزاد منتقل می کند. آب گرم خروجی از کندانسور به بالای خنک کن پمپ می شود و از آنجا به تشتک برج می ریزد. آب گرم شده برای خنک شدن به برج خنک کن باز می گردد. آب در برج به گردش در می آید و از بالای برج به طرف پایین ریخته می شود. این آب در حین سقوط از درون پوشش های داخلی برج با هوا برخورد کرده و گرمای خود را به هوا می دهد.

برج های خنک کننده سیستم توزیع و پخش آبگرم دارند که آب را به صورت یکنواخت روی شبکه مشبک نزدیک به هم می پاشد. این شبکه ها آکنه یا پر کننده نامیده می شود. آکنه ها آب سرازیر شده از بالای برج را با هوایی که از میان آن حرکت می کند کاملا مخلوط کرده به طوری که آب به صورت یک قطره از یک آکنه به سطح آکنه دیگر توسط نیروی ثقل خود می ریزد. هرچند در این برج ها مقداری انتقال حرارت محسوس از آب به هوا وجود دارد ولی تقریبا اثر خنک کنندگی تماما از تبخیر قسمتی از آب اسپری شونده در برج حاصل می شود. بخار حاصل از فرایند تبخیر در برج توسط جریان هوایی که یک دمنده ایجاد می کند از برج خنک کن خارج می شود. با توجه به این که دما و رطوبت هوای از برج افزایش می یابد. بدیهی است که میزان کارایی برج حنک کن تا حد زیادی به درجه حرارت مرطوب هوای ورودی بستگی دارد و با کاهش آن افزایش می یابد. در واقع از نظر تئوری پایین ترین دمای قابل حصول برای آب در برج خنک کن دمای مرطوب هوای ورودی می باشد که در آن شرایط هوای خروجی از بخار آب اشباع خواهد بود ولی اغلب دمای آب خروجی از برج 4 تا 5.5 درجه سانتی گراد بیشتر از دمای مرطوب هوای ورودی می باشد. بنابراین هوای خروجی از برج همواره مقداری از حالت اشباع پایین تر خواهد بود.

 نکته: دمای مطوب هوای ورودی برج هر چه کمتر باشد راندمان برج افزایش می یابد بنابراین در مناطق مرطوب کندانسور آبی مقرون به صرفه نیست و از کندانسور هوایی استفاده می شود.

عوامل دیگری که عملکرد برج های خنک کن را تحت تاثیر قرار می دهند عبارت اند از :

 سطح تماس آب با هوا :

 نزدیکی approach  :  با اختلاف بین درجه حرارت آب خروجی از برج و  دمای مرطوب هوای وردی به برج می باشد. هرقدر نزدیکی را بخواهیم کمتر کنیم ( دمای آب خروجی از برج را به  دمای تر محیط نزدیکتر کنیم ) باید برج خنک کن بزرگتر و یا پر کننده های بیشتری را انتخاب کنیم. در عمل می توان به نزدیکی حدود 5 درجه فارنهایت رسید ولی اکثر اوقات، نزدیکی را برای موارد متعارف حدود 7 درجه فارنهایت انتخاب می کنند.

 دامنه range  : درجه حرارت آب در عبور از برج یعنی اختلاف بین درجات حرارت ورودی و خروجی آب دامنه برج نامیده می شود.

 محاسبه بار برج : بار یک برج خنک کن را می توان با اندازه گیری دبی آب برج و دمای آب و خروجی برج با استفاده از معادله زیر بدست آورد:

 بار برج kw  = دبی آب kg * 4.19 kj/kg * (دمای آب ورودی C – دمای آب خروجی  C )

اجزای اصلی برج خنک کن عبارت اند از :

 بدنه و پوسته casing - frame: اغلب برج ها در ساختار خود بدنه ای دارند که آنها را محافظت می کند و موتورها، فن ها و دیگر اجزا را پوشش می دهد.

 واسطه های انتقال حرارت Fill: درون هر کولینگ تاور واسطه انتقال حرارت وجود دارد که لاپرکن با آکنه نامیده می شود. وظیفه این قطعات فقط این است که قطرات آب را به ذرات ریز تر تبدیل کنند و سطح انتقال حرارت را افزایش دهند تا انتقال حرارت بین آب و هوای ورودی به سادگی انجام شود. بیشتر از چوب یا پلاستیک ساخته شده اند. آکنه ها باید طوری انتخاب شوند تا هم سطح تماس و هوا برای نسبت های بالای انتقال حرارت و انتقال جرم مناسب باشند و هم مقاومت کمتری در مقابل جریان هوا داشته باشند. آکنه ها باید محکم، سبک و در برابر خوردگی و خراب شدن مقوام باشند.

دو نوع آکنه که در برج خنک کن استفاده می شود عبارت اند از : ترشحی و فیلمی

پر کننده ترشحی splash packing : در این نوع آکنه ها آب بر اثر برخورد با تیغه ها و پخش به صورت قطره قطره در آمده که در نتیجه ایجاد سطح وسیعی می نماید . از آنجایی که قطرات آب همواره پیوسته بوده و وزن سنگین دارند اینو نوع دسته بندی ممکن است در اثر جریان دائمی از هم گسیخته گردد.

 پرکننده فیلمی  Film Packing : در این نوع آکنه ها سطح وسیع از آب در اثر جریان آن در روی تیغه ها بوجود می آید و به طرق گوناگونی می توان چنین سطح وسیعی ایجاد کرد.

حوضچه آب خنک cold water basin : حوضچه آب خنک در پایین برج قرار دارد . آب خنکی که از پخش کننده ها فرود می آید را جمع آوری می کند. حوضچه اغلب یک چاهک برای تخلیه آب خنک دارد. در بیشتر برج ها حوضچه آب خنک در زیر تمام سینی ها قرار دارد.

 قطره برگردانها یا حذف کننده ها drift eliminator : آنها قطرات آب موجود در بخار را به تله می اندازند تا وراد اتمسفر نشوند. به این وسیله از خارج شدن قطرات آب به وسیله کشش هوا از برج جلوگیری می کند. تیغه ها  طوری نصب می شوند که با سطح افق زاویه ای در حدود 45 درجه بسازد. جنس این طیغه ها از چوب، فلز یا پلاستیک ممکن است ساخته شده باشد.

ورودی هوا air inlet : دریچه ای برای ورود هوا به کولینگ تاور وجود دارد. ورودی هوا ممکن است در طرح های متقاطع در اطراف بالا قرار داشته باشد یا مثل طرح های متقابل در کف یا قسمت پایین برج قرار گیرد.

کرکره ها louvers` : معمولا برج های با جریان متقاطع دارای کرکره های ورودی هستند که وظیفه آنهاست که جریان هوا را به طور یکنواخت روی سینی ها پخش کند و آب را نگه دارند. بعضی طرح های با جریان متقابل کرکره لازم ندارند.

نازل ها nozzles: آب را به صورت اسپری روی سینی ها می پاشد. توزیع یکنواخت آب روی سینی ها باعث می شود سطوح سینی ها به خوبی خیس شوند. نازل ها می توانند ثابت باشند و طرح های اسپری مربعی یا گرد داشته باشند یا قسمتی از یک جز دوار باشند که در برج های متقاطع دیده می شود.

فن ها  fans : روی بدنه برج سوار می شود و آبی را که از بالای برج توسط نازل ها روی صفحه پایینی پاشیده می شود خنک می کند. فن جریان محوری سانتریفیوژی در برج خنک کن استفاده می شود. معمولا در برج های با جریان هوای دمیده شده از فن محوری و در برج های با جریان هوای مکیده شده از هر دو نوع فن های محوری و سانتریفیوژی استفاده می شود.

فلز مربوط به پوشش موتور باید به پوشش موتور باید به منظور یافتن علامت خوردگی بررسی شود و پیچ هایی که موتور را به اسکلت اصلی متصل می کنند باید از نظر محکم بودن و سفتی مورد بررسی قرار گیرند. هنگام کار کردن فن به صدای آن با دقت گوش کنید تا صدای یاتاقان های فرسوده و برخورد پره های فن به پوشش محافظ را بشنوید.

برج خنک کننده یا کولینگ تاور در شکل و انواع مختلف ساخته و دسته بندی می شود.

از نظر جریان هوا: برج های خنک کن از نظر جهت جریان هوا در سه گروه جریان مخالف و جریان متقاطع و جریان موافق طبقه بندی می شوند.

از نظر وزش هوا: اجباری با فن و طبیعی بدون فن

از نظر فن: گریز از مرکز و جریان محوری

از نظر گردش آب : باز و بسته

از نظر ساختار: مکعب فلزی و ذوزنقه چوبی و فایبرگلاس

برج از نظر مدار بسته یا باز: مدار باز به برج هایی گفته می شود که دمای آب در تماس مستقیم با هوا کاهش می یابد. شامل کلیه برج های مورد استفاده در تاسیسات سرمایش و تهویه مطبوع ساختمان های می شود. در اینگونه کولینگ تاور ها اب خنک کننده کندانسورها به طور مستقیم با هوای جو در تماس قرار می گیرد و بخشی از ان تبخیر می شود.

برج مدار بسته: در صنایع تهویه مطبوع وسرمایش ساختمان آب مدار بسته برج به طور مستقیم به منظور تقطیر سیال ثانویه مورد استفاده قرار می گیرد.

در مدار بسته(غیر مستقیم) آب داخل لوله های مبدل حرارتی با هوای محیط و آب پاشیده شده روی لوله ها تبادل حرارت انجام می دهد و دمای آن کاهش می یابد. از این جهت کندانسور تبخیری هم خوانده می شود.

برج از نظر ساختار بدنه:

برج خنک کن مکعبی فلزی

 بر اساس جنس و شکل ورق گالوانیزه بدنه نامگذاری شده است. برج های کم ظرفیت مکعبی فلزی دارای یک فن جریان محوری در سطح جانبی هستند و بستر ریزش آب در آن ها از چوب اشباع شده، مواد پلی مری و یا ورق گالونیزه است. در اینگونه برج های کم ظرفیت از افشانک استفاده نمی شود. بلکه آب ورودی به تشتک فوقانی برج ریخته و سپس از روی سطوح چوبی یا پلیمری گذر کرده و در تشتک زیرین برج جمع می شود. در برج های مکعبی فلزی پر ظرفیت از افشانک و فن های گریز از مرکز استفاده می شود.

برج خنک کن فایبرگلاس:

با شکل خمره ای دارای تشتک و بدنه ای از جنس فایبرگلاس و دارای فن جریان محوری در گلویی فوقانی است. جریان آب و هوا در اینگونه برج ها از نوع مخالف است. آب از بالا به پایین جریان می یابد و هوا از پایین به بالا. بستر توزیع و گسترش آب در این گونه برج ها از جنس پی وی سی است.

برج خنک کن ذوزنقه ای:

برج های چوبی ذوزنقه ای شکل هستند که دارای یک فن جریان محوری بزرگ در قسمت فوقانی می باشند. برج های ذوزنقه ای چوبی معمولا زیاد و فن آنها نیز دارای قطر قابل توجه است به همین دلیل انتقال قدرت الکتروموتور به وسیله گیربکس انجام می شود.

برج از نظر وزش هوا:

برج خنک کن با وزش هوای طبیعی(Natural draft):

در این سیستم بدون استفاده فن و با پاشش سریع آب در هوا انجام می شود و به شکلی طراحی شده که هوای خنک بیرون به طور طبیعی وارد برج خنک کننده ش ده و پس از خنک کردن آب از قسمت بالای برج خنک کن خارج می گردد. چگالی بین هوای بیرون و هوای گرم و مرطوب داخل برج موجب مکش هوا از جداره های اطراف و خروج آن از بالای برج می گردد.

برج هذلولی بر اساس خاصیت دودکشی هوا (تمایل هوای گرم به صعود) و بدن استفاده از فن، عمل کاهش دمای آب ورودی را انجام می دهد. البته در این گونه برج ها مدارآب خنک شونده مدار بسته ای است و از داخل کویل هایی که در زیر برج تعبیه شده است عبور می کند. برج های هذلولی کاربرد چندانی در تاسیسات سرمایشی و تهویه مطبوع ندارند و در نیروگاه برق کاربرد دارد.

برج خنک کن با وزش هوا با فن(Mechanical draft)

توسط یک فن یا چن فن با دور ثابت یا متغیر جریان هوا به حرکت در می آید. هوای اجباری در برج به داخل آن کشیده شده و از آن به خارج ارسال می شود. بادزن ها بسته به نوع برج ممکن است جریان محوری و یا گریز از مرکز باشند. تمامی برج های خنک کننده سیتم تهویه و تبرید ساختمان از نوع وزش اجباری و مجهز به فن هستند.

برج های خنک کننده mechanical draft به دو نوع زیر تقسیم بندی می شوند:

الف : وزش هوای القایی با فنInduced draft:

در برج های خنک کننده فوق فن در قسمت بالای برج خنک کننده نصب می گردد. و جریان هوا با سرعت ورودی پایین و سرعت خروجی بالا در کولینگ تاور ایجاد می گردد.

ب : وزش هوای اجباری با فن forced draft

فن در این گروه از برج خنک کننده در قسمت پایین آن نصب می گردد و لذا جریان هوای ورودی به برج خنک کننده نصب به جریان خروجی آن داری سرعت بیشتری می باشد. در این برج های خنک کننده به دلیل این که سرعت هوای ورودی به برج بیشتر از هوای خروجی است لذا احتمال وقوع پدیده بازگشت موقت بیشتر است . از طرف دیگر برج های خنک کننده هوای اجباری به فن قویتری نیست به کولینگ تاور از نوع القایی نیاز دارند. همچنین احتمال یخ زدگی این نوع برج در شرایط زمستان بیشتر خواهد بود.