برج التبريد

برج التبريد هو جهاز يُستخدم لطرد الحرارة الزائدة إلى الغلاف الجوي عن طريق تبريد سائل التبريد ، وعادةً ما يكون سائل تبريد مائي، إلى درجة حرارة منخفضة. ^{[ 1 ]} قد تستخدم أبراج التبريد إما تبخر الماء لإزالة الحرارة وتبريد سائل التبريد إلى درجة حرارة قريبة من درجة حرارة الهواء الرطب ، أو، في حالة أبراج التبريد الجافة ، تعتمد كليًا على الهواء لتبريد سائل التبريد إلى درجة حرارة قريبة من درجة حرارة الهواء الجاف باستخدام المشعات . ^{[ 2 ]}

تشمل التطبيقات الشائعة تبريد المياه المتداولة في مصافي النفط ، ومصانع البتروكيماويات وغيرها من المصانع الكيميائية ، ومحطات الطاقة الحرارية ، ومحطات الطاقة النووية ، وأنظمة التكييف والتهوية لتبريد المباني. ويستند التصنيف إلى نوع مدخل الهواء إلى البرج: النوعان الرئيسيان لأبراج التبريد هما أبراج التبريد ذات السحب الطبيعي وأبراج التبريد ذات السحب المستحث .

تتفاوت أبراج التبريد في أحجامها، بدءًا من الوحدات الصغيرة المثبتة على أسطح المباني وصولًا إلى الهياكل القطعية الضخمة التي قد يصل ارتفاعها إلى 200 متر (660 قدمًا) وقطرها إلى 100 متر (330 قدمًا) ، أو الهياكل المستطيلة التي قد يزيد ارتفاعها عن 40 مترًا (130 قدمًا) وطولها عن 80 مترًا (260 قدمًا) . غالبًا ما ترتبط أبراج التبريد القطعية بمحطات الطاقة النووية ، ^{[ 3 ]} على الرغم من استخدامها أيضًا في العديد من محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم، وإلى حد ما في بعض المصانع الكيميائية والصناعية الكبيرة الأخرى. وتُعد التوربينات البخارية هي ما يستلزم وجود برج التبريد لتكثيف المياه وإعادة تدويرها. وعلى الرغم من بروز هذه الأبراج الضخمة، فإن الغالبية العظمى من أبراج التبريد أصغر حجمًا بكثير، بما في ذلك العديد من الوحدات المثبتة على المباني أو بالقرب منها لتصريف الحرارة الناتجة عن تكييف الهواء . كما يعتقد عامة الناس غالبًا أن أبراج التبريد تُصدر دخانًا أو أبخرة ضارة، بينما في الواقع لا تُساهم الانبعاثات الصادرة من هذه الأبراج في البصمة الكربونية ، إذ تتكون فقط من بخار الماء . ^{[ 4 ] [ 5 ]}    

ظهرت أبراج التبريد في القرن التاسع عشر مع تطوير المكثفات لاستخدامها مع المحركات البخارية . ^{[ 6 ]} تستخدم المكثفات الماء البارد نسبيًا، عبر وسائل مختلفة، لتكثيف البخار الخارج من الأسطوانات أو التوربينات. يؤدي ذلك إلى تقليل الضغط الخلفي ، مما يقلل بدوره من استهلاك البخار، وبالتالي استهلاك الوقود، مع زيادة القدرة الكهربائية وإعادة تدوير مياه الغلايات في الوقت نفسه. ^{[ 7 ]} ومع ذلك، تتطلب المكثفات إمدادًا وافرًا من مياه التبريد، وبدونها تصبح غير عملية. ^{[ 8 ] [ 9 ]} في حين أن استخدام المياه ليس مشكلة في المحركات البحرية ، إلا أنه يشكل قيدًا كبيرًا للعديد من الأنظمة البرية.

مع مطلع القرن العشرين، شاع استخدام عدة طرق تبخيرية لإعادة تدوير مياه التبريد في المناطق التي تفتقر إلى إمدادات مياه منتظمة، وكذلك في المناطق الحضرية حيث قد لا تكون شبكات المياه البلدية كافية، أو موثوقة في أوقات ذروة الطلب، أو مناسبة لتلبية احتياجات التبريد. ^{[ 6 ] [ 9 ]} في المناطق ذات الأراضي المتاحة، اتخذت هذه الأنظمة شكل أحواض تبريد ؛ أما في المناطق ذات الأراضي المحدودة، كالمدن، فقد اتخذت شكل أبراج تبريد. ^{[ 8 ] [ 10 ]}

كانت أبراج التبريد المبكرة تُوضع إما على أسطح المباني أو كهياكل قائمة بذاتها، وتُزود بالهواء بواسطة مراوح أو بالاعتماد على تدفق الهواء الطبيعي. ^{[ 8 ] [ 10 ]} وصف كتاب هندسي أمريكي صدر عام 1911 أحد التصاميم بأنه "غلاف دائري أو مستطيل من صفائح خفيفة - في الواقع، مدخنة أقصر بكثير رأسيًا (من 20 إلى 40 قدمًا) وأوسع بكثير أفقيًا. في الأعلى توجد مجموعة من أحواض التوزيع، التي يجب ضخ الماء إليها من المكثف؛ ومن هذه الأحواض يتقطر الماء لأسفل فوق "حصائر" مصنوعة من شرائح خشبية أو شاشات سلكية منسوجة، تملأ الفراغ داخل البرج." ^{[ 10 ]}

حصل المهندسان الهولنديان فريدريك فان إيترسون وجيرارد كويبرز على براءة اختراع لبرج تبريد ذي شكل قطعي زائد في هولندا بتاريخ 16 أغسطس 1916. ^{[ 11 ]} وشُيّد أول برج تبريد خرساني مُسلّح ذي شكل قطعي زائد من قِبل شركة التعدين الحكومية الهولندية (DSM) إيما عام 1917 في هيرلين (Koeltoren II). ^{[ 12 ]} أما أول أبراج التبريد في المملكة المتحدة فقد شُيّدت عام 1924 في محطة ليستر درايف لتوليد الطاقة في ليفربول ، إنجلترا. ^{[ 13 ]} وفي كلا الموقعين، بُنيت هذه الأبراج لتبريد المياه المستخدمة في محطة توليد الطاقة الكهربائية التي تعمل بالفحم.

بحسب تقرير صادر عن معهد تكنولوجيا الغاز (GTI) ، تُعدّ دورة مايسوتسينكو للتبريد التبخيري غير المباشر بنقطة الندى (دورة M) طريقةً سليمةً نظريًا لخفض درجة حرارة سائل التشغيل إلى نقطة ندى السائل المحيط، وهي أقل من درجة حرارة البصيلة الرطبة للسائل المحيط. تستغل دورة M الطاقة السيكرومترية (أو الطاقة الكامنة) المُتاحة من الحرارة الكامنة لتبخر الماء في الهواء. ورغم أن تطبيقها الحالي يتمثل في دورة M-Cycle HMX لتكييف الهواء، إلا أنه يُمكن، من خلال التصميم الهندسي، تطبيق هذه الدورة كجهاز لاستعادة الحرارة والرطوبة لأجهزة الاحتراق، وأبراج التبريد، والمكثفات، وغيرها من العمليات التي تتضمن تيارات غازية رطبة.

تشير التقديرات إلى أن استهلاك مياه التبريد من قبل محطات المعالجة والطاقة الداخلية سيؤدي إلى تقليل توافر الطاقة لمعظم محطات الطاقة الحرارية بحلول عام 2040-2069. ^{[ 14 ]}

في عام 2021، قدم باحثون طريقةً لاستعادة البخار. يتم شحن البخار باستخدام شعاع أيوني، ثم يُجمع في شبكة سلكية ذات شحنة معاكسة. وقد تجاوزت نقاوة الماء معايير وكالة حماية البيئة الأمريكية لصلاحية الشرب. ^{[ 15 ]}

فيما يتعلق بآلية نقل الحرارة المستخدمة، فإن الأنواع الرئيسية هي:

• تعمل أبراج التبريد الرطبة أو أبراج التبريد ذات الدائرة المفتوحة أو أبراج التبريد التبخيرية على مبدأ التبريد التبخيري . سائل التبريد المستخدم (عادةً الماء) هو السائل المتبخر، ويتعرض للعوامل الجوية.
• تقوم أبراج التبريد ذات الدائرة المغلقة (وتسمى أيضاً مبردات السوائل ) بتمرير سائل التبريد العامل عبر مبادل حراري كبير ، عادةً ما يكون مشعاعاً ، حيث يُرش عليه الماء النظيف ويُطبق عليه تيار هواء بفعل مروحة. ويُقارب أداء نقل الحرارة الناتج أداء برج التبريد الرطب، مع ميزة حماية سائل التبريد العامل من التلوث البيئي.
• تستخدم أبراج التبريد الأديباتية رش الماء في الهواء الداخل أو على وسادة من الورق المقوى لتبريد الهواء قبل مروره فوق مبادل حراري مُبرد بالهواء. تستهلك أبراج التبريد الأديباتية كمية أقل من الماء مقارنةً بأبراج التبريد الأخرى، ولكنها لا تُبرد السائل بنفس درجة حرارة البصيلة الرطبة. معظم أبراج التبريد الأديباتية هي في الواقع أبراج تبريد هجينة.
• أبراج التبريد الجافة (أو المبردات الجافة ) هي أبراج تبريد ذات دائرة مغلقة تعمل عن طريق نقل الحرارة عبر مبادل حراري يفصل سائل التبريد عن الهواء المحيط، كما هو الحال في المشعات، باستخدام نقل الحرارة بالحمل. وهي لا تعتمد على التبخر، وتُعد مبادلات حرارية مبردة بالهواء.
• أبراج التبريد الهجينة، أو أبراج التبريد الرطبة والجافة، هي أبراج تبريد ذات دائرة مغلقة، قادرة على التبديل بين التشغيل الرطب أو الأديباتي والتشغيل الجاف. وهذا يُسهم في تحقيق التوازن بين توفير المياه والطاقة في مختلف الظروف الجوية. بعض أبراج التبريد الهجينة قادرة على التبديل بين أوضاع التشغيل الجاف والرطب والأديباتي. وقد لوحظت كفاءات حرارية تصل إلى 92% في أبراج التبريد الهجينة. ^{[ 23 ]}

في برج التبريد الرطب (أو برج التبريد ذي الدائرة المفتوحة)، يمكن تبريد الماء الدافئ إلى درجة حرارة أقل من درجة حرارة الهواء الجاف المحيط، إذا كان الهواء جافًا نسبيًا (انظر نقطة الندى وعلم قياس الرطوبة ). عند مرور الهواء المحيط بتيار من الماء، يتبخر جزء صغير منه، وتُستمد الطاقة اللازمة لتبخير هذا الجزء من كتلة الماء المتبقية، مما يُخفض درجة حرارته. يُمتص ما يقارب 2300 كيلوجول لكل كيلوغرام (970 وحدة حرارية بريطانية/رطل) من الطاقة الحرارية للماء المتبخر. يؤدي التبخر إلى تشبع الهواء، مما يُخفض درجة حرارة الماء الذي يُعالجه البرج إلى قيمة قريبة من درجة حرارة البصيلة الرطبة ، وهي أقل من درجة حرارة الهواء الجاف المحيط ، ويُحدد الفرق بينهما بناءً على الرطوبة الأولية للهواء المحيط. 

لتحقيق أداء أفضل (تبريد أكثر فعالية)، تُستخدم مادة تُسمى الحشوة لزيادة مساحة السطح ومدة التلامس بين تدفق الهواء والماء. تتكون حشوة الرذاذ من مادة تُوضع لقطع تدفق الماء، مما يُسبب تناثره. أما حشوة الغشاء فتتكون من صفائح رقيقة من مادة (عادةً PVC ) يتدفق عليها الماء. تُؤدي كلتا الطريقتين إلى زيادة مساحة السطح ومدة التلامس بين السائل (الماء) والغاز (الهواء)، لتحسين انتقال الحرارة.

فيما يتعلق بسحب الهواء عبر البرج، هناك ثلاثة أنواع من أبراج التبريد:

• نظام السحب الطبيعي - يستغل قوة الطفو عبر مدخنة عالية. يرتفع الهواء الدافئ الرطب بشكل طبيعي نتيجة لاختلاف كثافته مقارنةً بالهواء الخارجي الجاف والبارد. فالهواء الدافئ الرطب أقل كثافة من الهواء الجاف عند نفس الضغط. ويؤدي طفو الهواء الرطب هذا إلى توليد تيار هوائي صاعد عبر البرج. 
  

  

  داخل برج التبريد ذي السحب الطبيعي في محطة توليد الطاقة التي تعمل بالغاز في جبزي، تركيا
• السحب الميكانيكي - يستخدم محركات مراوح تعمل بالطاقة لدفع أو سحب الهواء عبر البرج.  
  • نظام السحب المُستحث - برج سحب ميكانيكي مزود بمروحة عند مخرج الهواء (في الأعلى) تسحب الهواء لأعلى عبر البرج. تعمل المروحة على سحب الهواء الساخن الرطب إلى الخارج من المخرج. ينتج عن ذلك سرعات هواء منخفضة عند الدخول وسرعات هواء عالية عند الخروج، مما يقلل من احتمالية إعادة تدوير الهواء الخارج إلى مدخل الهواء. يُعرف هذا الترتيب للمروحة/الزعانف أيضًا باسم نظام السحب المباشر . 
  • نظام السحب القسري - برج سحب ميكانيكي مزود بمروحة نفخ عند مدخل الهواء. تدفع المروحة الهواء إلى داخل البرج، مما يُنتج سرعات هواء عالية عند الدخول وسرعات منخفضة عند الخروج. سرعة الهواء المنخفضة عند الخروج تجعله أكثر عرضة لإعادة التدوير. ونظرًا لوجود المروحة عند مدخل الهواء، فإنها أكثر عرضة للتلف بسبب ظروف التجمد. من عيوب هذا النظام أيضًا أنه يتطلب عادةً قدرة محرك أعلى من نظام السحب المستحث المكافئ. أما ميزة نظام السحب القسري فهي قدرته على العمل بضغط ثابت عالٍ . يمكن تركيب هذه الأنظمة في أماكن ضيقة، وحتى في بعض الأماكن الداخلية. يُعرف هذا التصميم للمروحة/الزعانف أيضًا باسم نظام النفخ المباشر . 
• نظام السحب الطبيعي بمساعدة المروحة - نوع هجين يشبه نظام السحب الطبيعي، على الرغم من أن تدفق الهواء مدعوم بمروحة. 

كمياً، تخضع موازنة المواد حول نظام برج التبريد الرطب التبخيري للمتغيرات التشغيلية التالية: معدل التدفق الحجمي للتعويض ، وفقدان التبخر والرياح، ومعدل السحب، ودورات التركيز. ^{[ 32 ] [ 33 ]}

في الرسم التوضيحي المجاور، يُمثل الماء المُضخ من حوض البرج ماء التبريد الذي يمر عبر مُبردات ومكثفات العمليات في المنشأة الصناعية. يمتص الماء البارد الحرارة من تيارات العمليات الساخنة التي تحتاج إلى التبريد أو التكثيف، وتُسخّن الحرارة الممتصة الماء المُتداول (C). يعود الماء الدافئ إلى أعلى برج التبريد ويتدفق نزولًا فوق مادة التعبئة داخل البرج. أثناء تدفقه، يلامس الهواء المحيط الصاعد عبر البرج إما بفعل السحب الطبيعي أو السحب القسري باستخدام مراوح كبيرة داخل البرج. يتسبب هذا التلامس في فقدان كمية صغيرة من الماء نتيجةً للرياح أو الانجراف (W)، وتبخر جزء منه (E) . تُستمد الحرارة اللازمة لتبخير الماء من الماء نفسه، مما يُبرده مرة أخرى إلى درجة حرارة الماء الأصلية في الحوض، ليصبح جاهزًا لإعادة التدوير. يترك الماء المُتبخر أملاحه الذائبة في الجزء الأكبر من الماء الذي لم يتبخر، مما يزيد من تركيز الأملاح في ماء التبريد المُتداول. لمنع ارتفاع تركيز الملح في الماء بشكل مفرط، يُسحب جزء منه أو يُصرّف (D) للتخلص منه. ويُزوّد ​​حوض البرج بمياه عذبة (M) لتعويض الفاقد من الماء المتبخر، ومياه الفاقد بفعل الرياح، ومياه السحب.

باستخدام معدلات التدفق ووحدات التركيز البُعدية هذه:

وبالتالي فإن توازن الماء حول النظام بأكمله يكون كما يلي: ^{[ 33 ]}

م = هـ + د + و

بما أن الماء المتبخر (E) لا يحتوي على أملاح، فإن توازن الكلوريد حول النظام هو: ^{[ 33 ]}

MX _M = DX _C + WX _C = X _C ( D + W )

${\displaystyle MX_{M}=DX_{C}+WX_{C}=X_{C}(D+W)}$

وبالتالي: ^{[ 33 ]}

${\displaystyle {X_{C} \over X_{M}}={\text{دورات التركيز}}={M \over (D+W)}={M \over (ME)}=1+{E \over (D+W)}}$

من خلال موازنة حرارية مبسطة حول برج التبريد:

${\displaystyle E={C\Delta Tc_{p} \over H_{V}}}$

أين:
H V	= الحرارة الكامنة لتبخر الماء = 2260 كيلوجول / كيلوغرام
ΔT	= فرق درجة حرارة الماء من أعلى البرج إلى أسفله، بالدرجة المئوية (°C)
ج ب	= الحرارة النوعية للماء = 4.184 كيلو جول / (كجم)${\displaystyle \cdot }$°م)

تُعرف خسائر الاحتكاك الهوائي (أو الانجراف) (W) بأنها كمية تدفق المياه الكلي في برج التبريد التي تُحمل مع تدفق الهواء إلى الغلاف الجوي. وبالنظر إلى أبراج التبريد الصناعية واسعة النطاق، وفي حال عدم توفر بيانات من الشركة المصنعة، يمكن افتراض أن هذه الخسائر هي:

تتراوح قيمة W بين 0.3 و 1.0 بالمئة من C لبرج تبريد ذي سحب طبيعي بدون مزيلات انجراف الهواء

W = 0.1 إلى 0.3 بالمئة من C لبرج تبريد ذي سحب مُستحث بدون مُزيلات انجراف الهواء

W = حوالي 0.005 بالمائة من C (أو أقل) إذا كان برج التبريد مزودًا بمزيلات انجراف الهواء

W = حوالي 0.0005 بالمائة من C (أو أقل) إذا كان برج التبريد يحتوي على مزيلات انجراف الرياح ويستخدم مياه البحر كمياه تعويض.

دورات التركيز

تمثل دورة التركيز تراكم المعادن الذائبة في مياه التبريد المعاد تدويرها. ويُستخدم تصريف المياه المسحوبة (أو تصريف المياه المتدفقة) بشكل أساسي للتحكم في تراكم هذه المعادن.

تختلف التركيبة الكيميائية لمياه التغذية، بما في ذلك كمية المعادن الذائبة، اختلافًا كبيرًا. فمياه التغذية منخفضة المعادن الذائبة، مثل تلك القادمة من مصادر المياه السطحية (البحيرات والأنهار وغيرها)، تميل إلى أن تكون مُسببة للتآكل. أما مياه التغذية القادمة من مصادر المياه الجوفية (مثل الآبار )، فعادةً ما تكون غنية بالمعادن، وتميل إلى تكوين الترسبات الكلسية. ويمكن زيادة كمية المعادن الموجودة في الماء عن طريق إعادة تدويره، مما يجعله أقل تآكلًا للأنابيب؛ إلا أن المستويات المفرطة من المعادن قد تُسبب مشاكل الترسبات الكلسية.

مع ازدياد دورات التركيز، قد لا يتمكن الماء من الاحتفاظ بالمعادن ذائبة . وعندما تتجاوز هذه المعادن حد ذوبانها ، فإنها تترسب على شكل مواد صلبة، مما يُسبب تراكم الرواسب ومشاكل في التبادل الحراري في برج التبريد أو المبادلات الحرارية . وتُحدد درجات حرارة الماء المُعاد تدويره والأنابيب وأسطح التبادل الحراري ما إذا كانت المعادن ستترسب من الماء المُعاد تدويره، وأين، وأين. غالبًا ما يقوم استشاري متخصص في معالجة المياه بتقييم مياه التغذية وظروف تشغيل برج التبريد، ويُوصي بنطاق مناسب لدورات التركيز. كما أن استخدام المواد الكيميائية لمعالجة المياه، والمعالجة المسبقة مثل تليين الماء ، وضبط درجة الحموضة ، وغيرها من التقنيات، يُمكن أن يؤثر على النطاق المقبول لدورات التركيز.

تتراوح دورات التركيز في معظم أبراج التبريد عادةً بين 3 و7 دورات. في الولايات المتحدة، تعتمد العديد من مصادر المياه على مياه الآبار التي تحتوي على مستويات عالية من المواد الصلبة الذائبة. في المقابل، يعتمد أحد أكبر مصادر المياه في مدينة نيويورك على مياه الأمطار السطحية، وهي منخفضة المحتوى المعدني؛ لذا يُسمح لأبراج التبريد في تلك المدينة بالتركيز إلى 7 دورات أو أكثر.

بما أن دورات التركيز الأعلى تتطلب كمية أقل من المياه المُضافة، فقد تُركز جهود ترشيد استهلاك المياه على زيادة دورات التركيز. ^{[ 34 ]} وقد تكون المياه المُعاد تدويرها والمعالجة بدرجة عالية وسيلة فعالة لتقليل استهلاك أبراج التبريد من المياه الصالحة للشرب، في المناطق التي تعاني من ندرة المياه الصالحة للشرب. ^{[ 35 ]}

قم بتنظيف الأوساخ والحطام المرئي من حوض الماء البارد والأسطح التي تحتوي على أي طبقة حيوية مرئية (مثل الطحالب).

ينبغي الحفاظ على مستويات المطهرات والمواد الكيميائية الأخرى في أبراج التبريد وأحواض المياه الساخنة ومراقبتها باستمرار وبشكل منتظم. ^{[ 36 ]}

ينبغي إجراء فحوصات منتظمة لجودة المياه (وتحديداً مستويات البكتيريا الهوائية) باستخدام الشرائح الغاطسة، حيث أن وجود الكائنات الحية الأخرى يمكن أن يدعم الليجيونيلا من خلال إنتاج العناصر الغذائية العضوية التي تحتاجها لتزدهر.

معالجة المياه

إلى جانب معالجة مياه التبريد المتداولة في أنظمة أبراج التبريد الصناعية الكبيرة للحد من الترسبات والتلوث ، ينبغي ترشيح المياه لإزالة الجسيمات، ومعالجتها أيضًا بمبيدات حيوية ومبيدات طحالب لمنع نمو الكائنات الحية الدقيقة التي قد تعيق التدفق المستمر للمياه. ^{[ 32 ]} في ظل ظروف معينة، يمكن أن تنمو طبقة حيوية من الكائنات الدقيقة، مثل البكتيريا والفطريات والطحالب، بسرعة كبيرة في مياه التبريد، مما قد يقلل من كفاءة نقل الحرارة في برج التبريد. يمكن الحد من الطبقة الحيوية أو منعها باستخدام كلوريت الصوديوم أو مواد كيميائية أخرى أساسها الكلور . من الممارسات الصناعية الشائعة استخدام نوعين من المبيدات الحيوية، مثل المؤكسدة وغير المؤكسدة، لتكملة نقاط قوة وضعف كل منهما، ولضمان نطاق أوسع من التأثير. في معظم الحالات، يُستخدم مبيد حيوي مؤكسد بجرعة منخفضة بشكل مستمر، ثم يُستبدل بجرعة دورية مكثفة من المبيدات الحيوية غير المؤكسدة.

مبيدات الطحالب والمبيدات الحيوية

تُستخدم مبيدات الطحالب، كما يوحي اسمها، للقضاء على الطحالب والكائنات الحية الدقيقة الأخرى الشبيهة بالنباتات في الماء. أما المبيدات الحيوية، فتُقلل من المواد الحية المتبقية، مما يُحسّن النظام، ويحافظ على نظافة المياه، ويضمن استخدامها بكفاءة. يُعد البروم أحد أكثر الخيارات شيوعًا للمبيدات الحيوية في أبراج التبريد. ^{[ 37 ]}

مثبطات الترسبات

يُعدّ التكلس من بين المشكلات التي تُلحق أكبر قدر من الضرر والضغط على أنظمة أبراج المياه. فعندما تتراكم مادة غير مرغوب فيها أو ملوثة في الماء في منطقة معينة، فإنها تُشكّل رواسب تتزايد مع مرور الوقت. وقد يُؤدي ذلك إلى مشاكل تتراوح بين تضيّق الأنابيب وانسدادها التام وتعطل المعدات. ^{[ 37 ]}

قد تفقد أبراج التبريد بعض المياه نتيجةً للانجراف والتسرب والتبخر. ويتم تعويض هذه المياه المفقودة بمياه إضافية، مما يساهم في تشغيل الآلات والمعدات بأمان واستقرار.

داء الفيالقة

من الأسباب المهمة الأخرى لاستخدام المبيدات الحيوية في أبراج التبريد منع نمو بكتيريا الليجيونيلا ، بما في ذلك الأنواع المسببة لداء الفيالقة ، وأبرزها الليجيونيلا الرئوية ^{[ 38 ]} أو المتفطرة الطيرية ^{[ 39 ]} . تُسبب أنواع الليجيونيلا المختلفة داء الفيالقة لدى البشر، وينتقل المرض عن طريق استنشاق الرذاذ المحمل بالبكتيريا. تشمل المصادر الشائعة لليجيونيلا أبراج التبريد المستخدمة في أنظمة التبريد التبخيري المفتوحة ذات الدورة المغلقة، وأنظمة تسخين المياه المنزلية، والنوافير، وغيرها من مصادر التلوث المماثلة التي تتصل بشبكة المياه العامة. أما المصادر الطبيعية فتشمل البرك والجداول المائية العذبة ^{[ 40 ] [ 41 ] .}

توصل باحثون فرنسيون إلى أن بكتيريا الليجيونيلا انتقلت لمسافة تصل إلى 6 كيلومترات (3.7 ميل) عبر الهواء من برج تبريد كبير ملوث في مصنع للبتروكيماويات في منطقة با دو كاليه بفرنسا. وقد أودى هذا التفشي بحياة 21 شخصًا من أصل 86 شخصًا تم تأكيد إصابتهم بالعدوى مخبريًا. ^{[ 42 ]} 

الانجراف (أو مقاومة الهواء) هو مصطلح يُطلق على قطرات الماء المتسربة من تدفق العملية عند مخرج برج التبريد. تُستخدم أجهزة منع الانجراف للحد من معدلات الانجراف، والتي تتراوح عادةً بين 0.001% و0.005% من معدل التدفق المتداول. يوفر جهاز منع الانجراف النموذجي تغييرات متعددة في اتجاه تدفق الهواء لمنع تسرب قطرات الماء. يمكن لجهاز منع الانجراف المصمم والمثبت جيدًا أن يقلل بشكل كبير من فقدان الماء واحتمالية التعرض لبكتيريا الليجيونيلا أو المواد الكيميائية المستخدمة في معالجة المياه. كما يُنصح بفحص حالة أجهزة منع الانجراف كل ستة أشهر تقريبًا للتأكد من عدم وجود أي فجوات تسمح بتدفق الأوساخ بحرية. ^{[ 43 ]}

لا توصي مراكز السيطرة على الأمراض والوقاية منها في الولايات المتحدة (CDC) بإجراء فحوصات دورية لبكتيريا الليجيونيلا الرئوية في مرافق الرعاية الصحية . ولا يزال الرصد الميكروبيولوجي الدوري لليجيونيلا مثيرًا للجدل، لأن وجودها لا يُعد بالضرورة دليلًا على قدرتها على التسبب في المرض. وتوصي مراكز السيطرة على الأمراض والوقاية منها باتخاذ تدابير تطهير مكثفة لتنظيف وصيانة الأجهزة المعروفة بنقل الليجيونيلا ، لكنها لا توصي بإجراء فحوصات ميكروبيولوجية دورية للكشف عن هذه البكتيريا. ومع ذلك، يمكن النظر في إجراء رصد دوري لمياه الشرب داخل المستشفى في بعض الحالات التي يكون فيها الأشخاص أكثر عرضة للإصابة بالمرض والوفاة نتيجة عدوى الليجيونيلا (مثل وحدات زراعة الخلايا الجذعية المكونة للدم ، أو وحدات زراعة الأعضاء الصلبة). كما يتفق مسؤولو الصحة، بعد تفشي داء الليجيونيلات، على ضرورة الرصد لتحديد المصدر وتقييم فعالية المبيدات الحيوية أو غيرها من التدابير الوقائية. ^{[ 44 ]}

وقد وجدت الدراسات بكتيريا الليجيونيلا في 40% إلى 60% من أبراج التبريد. ^{[ 45 ]}

• الانجراف أو التطاير - قطرات الماء التي تحملها هواء العادم خارج برج التبريد. تحتوي قطرات التطاير على نفس تركيز الشوائب الموجودة في الماء الداخل إلى البرج. عادةً ما يتم تقليل معدل التطاير باستخدام أجهزة تشبه الحواجز، تُسمى مزيلات التطاير، والتي يمر الهواء من خلالها بعد خروجه من منطقتي التعبئة والرش في البرج. كما يمكن تقليل التطاير باستخدام درجات حرارة دخول أعلى لبرج التبريد. 

• التناثر - قطرات الماء التي تدفعها الرياح خارج برج التبريد، عادةً عند فتحات دخول الهواء. وقد يُفقد الماء أيضًا، في حال عدم وجود رياح، عن طريق التناثر أو التكثف. تُستخدم أجهزة مثل واقيات الرياح، والفتحات، ومشتتات التناثر، ومحولات المياه للحد من هذه الخسائر. 

• عمود الدخان – هو تيار هواء العادم المشبع بالرطوبة الخارج من برج التبريد. يظهر عمود الدخان عندما يتكثف بخار الماء الموجود فيه عند ملامسته للهواء المحيط البارد، كما يحدث عندما يتكثف بخار الماء في زفيرنا في يوم بارد. في بعض الحالات، قد يُشكل عمود الدخان الناتج عن برج التبريد خطرًا للضباب أو التجلد على المناطق المحيطة. تجدر الإشارة إلى أن الماء المتبخر في عملية التبريد هو ماء نقي، على عكس النسبة الضئيلة جدًا من قطرات الماء المتطايرة أو الماء الذي يخرج من فتحات التهوية. 

• التصريف أو التصريف الجانبي - هو جزء من تدفق المياه المتداولة الذي يُزال (ويُصرف عادةً إلى مصرف) للحفاظ على مستوى منخفض مقبول من إجمالي المواد الصلبة الذائبة (TDS) والشوائب الأخرى. قد ينتج ارتفاع تركيز TDS في المحلول عن زيادة كفاءة برج التبريد. مع ذلك، كلما زاد تركيز TDS، زاد خطر الترسبات الكلسية والنمو البيولوجي والتآكل. تُنظَّم كمية التصريف الجانبي بشكل أساسي عن طريق قياس الموصلية الكهربائية للمياه المتداولة. يمكن منع النمو البيولوجي والترسبات الكلسية والتآكل باستخدام مواد كيميائية (مبيد حيوي، حمض الكبريتيك، مثبط التآكل، على التوالي). من ناحية أخرى، فإن الطريقة العملية الوحيدة لتقليل الموصلية الكهربائية هي زيادة كمية التصريف الجانبي، وبالتالي زيادة كمية مياه التغذية النظيفة. 

• تُعرف عملية "انعدام التصريف" لأبراج التبريد ، أو ما يُسمى أيضاً "انعدام التفريغ" لأبراج التبريد ، بأنها عملية تهدف إلى تقليل الحاجة إلى تصريف المياه المحتوية على المواد الصلبة المتبقية من النظام بشكل كبير، وذلك عن طريق تمكين الماء من الاحتفاظ بكمية أكبر من المواد الصلبة في المحلول. ^{[ 46 ] [ 47 ] [ 48 ]}

• التعويض - الماء الذي يجب إضافته إلى نظام المياه المتداول لتعويض فقدان المياه مثل التبخر، وفقدان الانجراف، والاندفاع، والتفريغ، وما إلى ذلك. 

• الضوضاء – طاقة صوتية تنبعث من برج التبريد وتُسمع (تُسجل) على مسافة واتجاه محددين. وينتج الصوت عن اصطدام الماء المتساقط، وحركة الهواء بواسطة المراوح، ودوران شفرات المراوح داخل الهيكل، واهتزاز الهيكل، والمحركات، وعلب التروس، أو أحزمة النقل. 

• الاقتراب - يُعرَّف الاقتراب بأنه الفرق في درجة الحرارة بين درجة حرارة الماء المبرد ودرجة حرارة البصيلة الرطبة للهواء الداخل . وبما أن أبراج التبريد تعتمد على مبادئ التبريد التبخيري، فإن أقصى كفاءة لبرج التبريد تعتمد على درجة حرارة البصيلة الرطبة للهواء. تُعد درجة حرارة البصيلة الرطبة نوعًا من قياسات درجة الحرارة التي تعكس الخصائص الفيزيائية لنظام يحتوي على خليط من غاز وبخار، وعادةً ما يكون هواءً وبخار ماء. 

• المدى - المدى هو فرق درجة الحرارة بين مدخل الماء الدافئ ومخرج الماء البارد. 

• الحشوة - تُضاف الحشوات داخل البرج لزيادة مساحة التلامس ومدة التلامس بين الهواء والماء، مما يُحسّن نقل الحرارة. وتعتمد كفاءة البرج على نوع وكمية الحشوة المُختارة. يوجد نوعان من الحشوات التي يُمكن استخدامها:  
  • نوع التعبئة الفيلمية (يتسبب في انتشار الماء على شكل طبقة رقيقة)
  • تعبئة من نوع الرذاذ (تقطع تيار الماء المتساقط وتوقف تقدمه الرأسي)

• الترشيح بالتدفق الكامل - يعمل الترشيح بالتدفق الكامل على تصفية الجسيمات باستمرار من تدفق النظام بأكمله. على سبيل المثال، في نظام سعته 100 طن، يكون معدل التدفق حوالي 300 جالون/دقيقة. يتم اختيار مرشح مناسب لاستيعاب معدل التدفق الكامل البالغ 300 جالون/دقيقة. في هذه الحالة، يُركّب المرشح عادةً بعد برج التبريد على جانب تصريف المضخة. مع أن هذه الطريقة مثالية للترشيح، إلا أنها قد تكون مكلفة للغاية في أنظمة التدفق العالي. 

• الترشيح الجانبي - على الرغم من شيوع وفعالية الترشيح الجانبي، إلا أنه لا يوفر حماية كاملة. في هذا النوع من الترشيح، يتم ترشيح جزء من الماء بشكل مستمر. وتعتمد هذه الطريقة على مبدأ أن الإزالة المستمرة للجسيمات تحافظ على نظافة النظام. عادةً ما تُعبأ مرشحات الترشيح الجانبي على قاعدة انزلاقية، مزودة بمضخة وأجهزة تحكم. تُعد هذه الطريقة اقتصادية لأنظمة التدفق العالي. يُعد اختيار الحجم المناسب لنظام الترشيح الجانبي أمرًا بالغ الأهمية للحصول على أداء ترشيح مُرضٍ، ولكن هناك بعض الجدل حول كيفية تحديد الحجم الأمثل لهذا النظام. يُصمم العديد من المهندسين النظام لترشيح مياه حوض برج التبريد بشكل مستمر بمعدل يُعادل 10% من إجمالي معدل تدفق الدوران. على سبيل المثال، إذا كان إجمالي تدفق النظام 1200 جالون/دقيقة (نظام سعته 400 طن)، يتم تحديد نظام ترشيح جانبي بمعدل 120 جالون/دقيقة. 

• دورة التركيز - الحد الأقصى المسموح به لمضاعف كمية المواد المتنوعة في المياه المتداولة مقارنة بكمية تلك المواد في مياه التغذية. 

• الخشب المعالج - مادة إنشائية لأبراج التبريد، تم التخلي عنها إلى حد كبير في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. ولا يزال يُستخدم أحيانًا نظرًا لانخفاض تكلفته الأولية، على الرغم من قصر عمره الافتراضي. ويختلف عمر الخشب المعالج اختلافًا كبيرًا تبعًا لظروف تشغيل البرج، مثل عدد مرات التوقف، ومعالجة المياه المتداولة، وما إلى ذلك. وفي ظل ظروف التشغيل المناسبة، يُقدّر العمر الافتراضي للعناصر الإنشائية المصنوعة من الخشب المعالج بحوالي عشر سنوات. 

• التسرب – فقدان المواد الكيميائية الحافظة للخشب بفعل غسل الماء المتدفق عبر برج تبريد الهيكل الخشبي. 

• البلاستيك المقوى بالألياف المبثوق (FRP) - مادة إنشائية شائعة الاستخدام في أبراج التبريد الصغيرة، ويُعرف البلاستيك المقوى بالألياف (FRP) بمقاومته العالية للتآكل. يُنتج البلاستيك المقوى بالألياف المبثوق باستخدام تقنية السحب ، وقد أصبح المادة الإنشائية الأكثر شيوعًا لأبراج التبريد الصغيرة. يتميز بانخفاض تكلفته وقلة صيانته مقارنةً بالخرسانة المسلحة، التي لا تزال تُستخدم في المنشآت الكبيرة. 

في ظل ظروف جوية معينة، يمكن رؤية أعمدة من بخار الماء تتصاعد من مخرجات برج التبريد، وقد يُظن خطأً أنها دخان حريق. إذا كان الهواء الخارجي مشبعًا أو قريبًا من التشبع، وقام البرج بإضافة المزيد من الماء إليه، فقد ينطلق هواء مشبع بقطرات الماء السائل، وهو ما يُرى على شكل ضباب. تحدث هذه الظاهرة عادةً في الأيام الباردة الرطبة، ولكنها نادرة في العديد من المناخات. يمكن وصف الضباب والسحب المصاحبة لأبراج التبريد بأنها متجانسة، كما هو الحال مع السحب الأخرى ذات المنشأ البشري، مثل آثار الطائرات وآثار السفن . ^{[ 49 ]}

يمكن منع هذه الظاهرة عن طريق خفض الرطوبة النسبية للهواء المشبع الخارج من البرج. ولتحقيق ذلك، في الأبراج الهجينة، يُخلط الهواء المشبع الخارج مع هواء ساخن منخفض الرطوبة النسبية. يدخل جزء من الهواء إلى البرج فوق مستوى فاصل الانجراف، مارًا عبر مبادلات حرارية. تنخفض الرطوبة النسبية للهواء الجاف بشكل فوري نتيجة تسخينه عند دخوله البرج. يتميز المزيج الخارج برطوبة نسبية أقل، وبالتالي يكون الضباب غير مرئي.

تناولت سلسلة من النماذج والتجارب قضايا متعلقة بالأرصاد الجوية التطبيقية لأبراج التبريد، بما في ذلك تقييم تأثيرها على تعزيز السحب. وأشارت إحدى نتائج مجموعة هامان إلى تأثيرات ديناميكية كبيرة لمسارات التكثيف على الغلاف الجوي المحيط، تتجلى في اضطرابات درجة الحرارة والرطوبة. ويبدو أن آلية هذه التأثيرات مرتبطة إما بتدفق الهواء فوق المسار كعائق، أو بالأمواج الرأسية المتولدة عنه، والتي غالبًا ما تكون على ارتفاع كبير فوقه. ^{[ 50 ]}

عند تركيب أبراج التبريد الرطبة التي تستخدم مياه البحر كمصدر للتبريد في مختلف الصناعات الواقعة في المناطق الساحلية أو بالقرب منها، تحتوي قطرات الماء الدقيقة المنبعثة من هذه الأبراج على ما يقارب 6% من كلوريد الصوديوم، والذي يترسب على الأراضي المجاورة. ويمكن أن يؤدي ترسب أملاح الصوديوم على الأراضي الزراعية والنباتية المجاورة إلى تحويلها إلى تربة ملحية صودية أو قلوية صودية، وذلك بحسب نوع التربة، كما يزيد من نسبة الصوديوم في المياه الجوفية والسطحية. وتتفاقم مشكلة ترسب الأملاح من هذه الأبراج في حال عدم تطبيق معايير مكافحة التلوث أو عدم تنفيذها للحد من انبعاثات المياه المنبعثة من أبراج التبريد الرطبة التي تستخدم مياه البحر كمصدر للتبريد. ^{[ 51 ]}

قد تتواجد الجسيمات العالقة القابلة للاستنشاق ، التي يقل حجمها عن 10 ميكرومترات  ، في الهواء المنبعث من أبراج التبريد. تُصفّى الجسيمات الأكبر حجمًا (أكثر من 10 ميكرومترات) عادةً في الأنف والحلق بواسطة الأهداب والمخاط، بينما يمكن للجسيمات الأصغر من 10  ميكرومترات، والمعروفة باسم PM10 _، أن تستقر في الشعب الهوائية والرئتين وتسبب مشاكل صحية. وبالمثل، تميل الجسيمات الأصغر من 2.5  ميكرومتر (PM2.5 ₎ إلى اختراق مناطق تبادل الغازات في الرئتين، وقد تمر الجسيمات الصغيرة جدًا (أقل من 100 نانومتر) عبر الرئتين لتؤثر على أعضاء أخرى. وعلى الرغم من أن إجمالي انبعاثات الجسيمات من أبراج التبريد الرطبة التي تُغذّى بالمياه العذبة أقل بكثير، إلا أنها تحتوي على كميات أكبر من PM10 _و PM2.5 _{مقارنةً} بإجمالي الانبعاثات من أبراج التبريد الرطبة التي تُغذّى بمياه البحر. ويعود ذلك إلى انخفاض نسبة الملح في المياه العذبة المنجرفة (أقل من 2000 جزء  في المليون) مقارنةً بنسبة الملح في مياه البحر المنجرفة (60000  جزء في المليون). ^{[ 51 ]}

في بعض محطات الطاقة الحديثة المجهزة بأنظمة تنقية غازات الاحتراق ، مثل محطة غروسكروتزنبورغ ومحطة روستوك ، يُستخدم برج التبريد أيضًا كمدخنة لغازات الاحتراق (مدخنة صناعية)، مما يوفر تكلفة بناء مدخنة منفصلة. أما في المحطات التي لا تحتوي على أنظمة تنقية غازات الاحتراق، فقد تحدث مشاكل تآكل نتيجة تفاعل غازات الاحتراق الخام مع الماء لتكوين أحماض .

في بعض الأحيان، يتم بناء أبراج التبريد ذات السحب الطبيعي باستخدام الفولاذ الإنشائي بدلاً من الخرسانة المسلحة (RCC) عندما يتجاوز وقت بناء برج التبريد ذي السحب الطبيعي وقت بناء بقية المصنع أو عندما تكون التربة المحلية ضعيفة ولا تتحمل الوزن الثقيل لأبراج التبريد الخرسانية المسلحة أو عندما تكون أسعار الأسمنت أعلى في الموقع لاختيار أبراج التبريد ذات السحب الطبيعي الأرخص المصنوعة من الفولاذ الإنشائي.

يتم إيقاف تشغيل بعض أبراج التبريد (مثل أنظمة تكييف الهواء الصغيرة في المباني) بشكل موسمي، وتفريغها من الماء، وتجهيزها لفصل الشتاء لمنع أضرار التجمد.

خلال فصل الشتاء، تعمل مواقع أخرى باستمرار بأبراج تبريد تخرج منها مياه بدرجة حرارة 4 درجات مئوية (39 درجة فهرنهايت). وتُستخدم عادةً سخانات الأحواض، وأنظمة تصريف المياه من البرج، وغيرها من وسائل الحماية من التجمد في المناخات الباردة. وقد تتجمد أبراج التبريد العاملة التي تعاني من أعطال خلال الطقس شديد البرودة. وعادةً ما يبدأ التجمد من زوايا برج التبريد الذي يتعرض لحمل حراري منخفض أو معدوم. ويمكن أن تؤدي ظروف التجمد الشديدة إلى تراكم كميات متزايدة من الجليد، مما ينتج عنه زيادة في الأحمال الهيكلية التي قد تتسبب في أضرار هيكلية أو انهيار البرج.  

ولمنع التجمد، تُستخدم الإجراءات التالية:

• لا يُنصح باستخدام أنظمة تحويل المياه المُعدِّلة أثناء الطقس البارد. في مثل هذه الحالات، ينبغي اعتبار مرونة التحكم في المحركات متغيرة السرعة، والمحركات ثنائية السرعة، و/أو أبراج الخلايا المتعددة ذات المحركات ثنائية السرعة، شرطًا أساسيًا.
• لا تقم بتشغيل البرج دون مراقبة. قد يتم تركيب أجهزة استشعار وأجهزة إنذار عن بعد لمراقبة حالة البرج.
• لا تقم بتشغيل البرج بدون حمل حراري. يمكن استخدام سخانات الأحواض للحفاظ على درجة حرارة الماء في حوض البرج فوق درجة التجمد. شريط التسخين هو عنصر تسخين مقاوم يتم تركيبه على طول أنابيب المياه لمنع التجمد في المناخات الباردة.
• الحفاظ على معدل تدفق المياه التصميمي فوق حشوة البرج.
• قم بتعديل أو تقليل تدفق الهواء للحفاظ على درجة حرارة الماء فوق نقطة التجمد.

يمكن أن تُسهم أبراج التبريد المبنية كليًا أو جزئيًا من مواد قابلة للاحتراق في انتشار الحرائق داخليًا. وقد تشتد هذه الحرائق بشدة نظرًا لارتفاع نسبة مساحة سطح الأبراج إلى حجمها، كما يمكن أن تزداد حدتها بفعل الحمل الحراري الطبيعي أو سحب الهواء بمساعدة المراوح. وقد يكون الضرر الناتج جسيمًا لدرجة تستدعي استبدال الخلية أو هيكل البرج بالكامل. ولهذا السبب، توصي بعض القوانين والمعايير ^{[ 52 ]} بتزويد أبراج التبريد القابلة للاحتراق بنظام رشاشات إطفاء حريق أوتوماتيكي . ويمكن أن تنتشر الحرائق داخليًا داخل هيكل البرج عندما تكون الخلية متوقفة عن العمل (كما هو الحال أثناء الصيانة أو الإنشاء)، وحتى أثناء تشغيل البرج، لا سيما أبراج السحب المُستحث، نظرًا لوجود مناطق جافة نسبيًا داخلها. ^{[ 53 ]}

نظرًا لضخامة أبراج التبريد، فهي عرضة لأضرار الرياح، وقد شهدت العديد من الانهيارات المروعة في الماضي. ففي محطة فيريبريدج لتوليد الطاقة، في الأول من نوفمبر عام 1965، تعرضت المحطة لانهيار هيكلي كبير ، حيث انهارت ثلاثة من أبراج التبريد نتيجة للاهتزازات الناجمة عن رياح بلغت سرعتها 137 كم /ساعة . ^{[ 54 ]} ورغم أن هذه الأبراج صُممت لتحمل سرعات رياح أعلى، إلا أن شكلها تسبب في توجيه الرياح الغربية نحوها، مما أدى إلى تكوين دوامة هوائية . دُمرت ثلاثة من أبراج التبريد الثمانية الأصلية، بينما لحقت أضرار جسيمة بالخمسة المتبقية. أُعيد بناء الأبراج لاحقًا، وجرى تدعيمها جميعًا لتحمل الظروف الجوية القاسية. كما عُدّلت قوانين البناء لتشمل تحسينات في الدعم الهيكلي، وأُدخلت اختبارات نفق الرياح للتحقق من هياكل الأبراج وتكوينها.  

• ما هو برج التبريد؟ مؤرشف بتاريخ 7 مايو 2010 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine) - معهد تكنولوجيا التبريد
• "أبراج التبريد" – تتضمن رسومات تخطيطية – جولة افتراضية في عالم الطاقة النووية
• إرشادات أبراج التبريد الرطبة بشأن الجسيمات العالقة، وزارة البيئة الكندية.
• صور مذهلة لأبراج التبريد المهجورة في أوروبا من تصوير ريجينالد فان دي فيلدي، لونلي بلانيت، 15 فبراير 2017 (انظر أيضًا مقتطفًا من مقابلة إذاعية ، تحديث العالم ، بي بي سي، 21 نوفمبر 2016).