انواع مبدل حرارتی در چیلر

چیلر ها یک آب سرد کن بزرگ میباشد که صنایع و تهویه مطبوع کاربرد دارد. در صنعت تهویه مطبوع جهت مصرف آب سرد برای فن کویل ها و هواساز ها تولید میگردد. جهت استفاده از این برودت باید از مبدل های گوناگون استفاده میگردد. در چیلرهای تراکمی از دو دسته چیلرهای تراکمی هواخنک و چیلرهای تراکمی آب خنک استفاده میباشد. در چیلرهای تراکمی از اواپراتور ها معمولا مبدل شل و تیوب یا مبدل صفحه ای میباشد. در چیلرهای تراکمی آب خنک در کندانسور های نیز همانند اواپراتور از مبدل پوسته- لوله استفاده میگردد. در چیلرهای تراکمی هوا خنک در کندانسورها از مبدل هوایی استفاده میگردد. در انواع چیلرهای جذبی جهت تولید برودت احتیاج به 4 مبدل حرارتی پوسته لوله، به نام های اواپراتور کندانسور ابزوربر و ژنراتور میباشد. در این مقاله به بررسی ساختار و انواع مبدل حرارتی چیلر می پردازیم و نقش آنها را در چیلرهای تراکمی بررسی میکنیم.

مبدل پوسته لوله

یک دسته لوله مسی یا فولادی درون یک پوسته لوله شکل، جوش یا به روش انبساط پیچ میشود.

• دسته لوله ها از یک طرف خم میشود و از طرف دیگر به صفحه تیوب متصل میشود( U TUBE)
• دسته لوله ها از دو طرف بدون خم کاری به دو صفحه تیوب متصل میوند( STRAIGHT TUBE)

پوسته در یک یا هر دو انتهای خود دارای اتصال فلنجی است تا به توان یک یا دو سر مبدل (کلاهک) به آن متصل کرد. کلاهک دارای صفحات جدا کننده برای گذر سیال میباشند. بدین ترتیب سیال میتواند طول مبدل را یک بار، دوبار یا حتی 4 بار یا بیشتر طی کند.

هر چه سطح تبادل حرارت ( مساحت هادی حرارتی) بزرگ تر باشد. انتقال حرارت سریع تر صورت گرفته و مقدار حرارت منتقل شونده بیشتر خواهد بود و مسلم است که مساحت یک دسته از تیوب های با قطر کم به مراتب بیشتر از مساحت یک دسته تیوب با قطر بالاتر میباشد. تیوب های مبدل حرارتی چیلر میتواند صاف یا فین دار باشند. فین ها میتواند در خارج External fin یا داخل تیوب internal fin لوله ها ایجاد شوند. فین ها باعث افزایش مساحت تیوب ها ( سطح تبادل حرارتی) میشوند و بنابراین نرخ انتقال حرارت افزایش می دهند. قطر خارجی تیوب مبدل ها میتواند از سایز ¼ اینج 21/2 اینچ متغیر میباشد. اما معمول ترین سایز تیوب مبدل ½، ¾، 1 اینچ است. مبدل های حرارتی معمولا در استاندارد 8 10 12 16 20 فوت ساخته میشود که در این بین دوسایز 16 20 فوت معمول ترین سایز ها میباشد.

تیوب شیت ها

دسته تیوب ها از مهار انتهای تیوبها در سوراخ های تیوب شیت به وجود می آیند. در برخی از مبدل های حرارتی تیوب ها و تیوب شیت ها به صورت ثابت جزیی از بدنه مبدل میشوند و بنابراین قابلیت حرکت از آن ها گرفته میشود. همان طور که میدانید حرارت باعث انبساط تیوب ها خواهد شد و وقتی تیوب ها در اثر حرارت منبسط شوند، تنش در تیوب ها و تیوب شیت به وجود خواهد آمد در نتیجه اگر تیوب شیت ثابت و بدون حرکت باشد تیوب ها در داخل آن شل شده و نشت سیال از ناحیه بین دیواره تیوب و سوراخ تیوب شیت اتفاق می افتند و این مساله میتواند باعث آلوده شدن یک سیال توسط سیال دیگر باشد و همچنین بازده انتقال حرارت کاهش میابد.

نحوه اتصال تیوب ها در تیوب شیت

آنچه مسلم است هر چه اتصال تیوب ها در تیوب در تیوب شیت بهتر و اوصولی تر باشد امکان نشت سیال از این ناحیه کمتر خواهذ شد. انتهای تیوب ها در تیوب شیت را میتوان رول منبسط کرد یا جوش داد. با رول انبساط کردن تیوب ها میتوان آب بندی خیلی خوبی را ایجاد نمود. به طوری که مبدل های که تیوب هایشلن در تیوب شیت رول شده اند را میتوان در سیستم ها و سرویس های پر فشار تا حدود 2000 پوند به کار گرفت. در سرویس های با فشار زیاد انتهای تیوب ها را بروی تیوب شیت جوش میدهند. شایان ذکر است که برای اتصال تیوب ها در تیوب شیت استفاده از روش جوشکاری نسبت به روش رول اکسپندر کردن تیوب ها پر هزینه تر است.

نحوه قرارگیری و آرایش تیوب ها در تیوب شیت ها

چهار آرایش معمول برای تیوب های یک مبدل حرارتی چیلر عبارت اند از مربعی، مربعی چرخیده، مثلثی و مثلثی چرخیده شده. در آرایش مربعی حداقل مقاوت در برابر سیال سمت پوسته ایجاد میشود و مسلم است که هر چه در برابر سیال بیشتر باشد افت فشار سیال بیشتر خواهد بود. به همین علت آرایش مربعی در مواقعی که افت فشار پایین مورد نظر باشد کارمد ترین و بهترین آرایش بای تیوب ها میباشد. یک آرایش مربعی آن است که تعداد تیوب ها در یک سطح معین نسبت آرایش های دیگر کمتر است. هر چه تعداد تیوب ها در یک سطح معین تراکم تیوب ها بیشتر باشد. نرخ انتقال حرارت در مبدل حرارتی بالاتر خواهد بود. بنابراین طبق آنچه بیان شد با بکارگیری آرایش مربعی نرخ انتفال حرارت در مقایسه با انتقال حرارت در مقایسه با آرایش مربعی بالاتر است. هر چه تعداد تیوب در یک سطح معین (تراکم تیوب ها ) بیشتر باشد. نرخ انتقال حرارت در مبدل حرارتی چیلر بالاتر خواهد بود. بنابراین طبق آنچه بیان شد با بکارگیری ارایش مربعی نرخ انتقال حرارت در مقایسه با ارایش های دیگر پایین تر است. در آرایش مثلثی افت فشار سیال سمت پوسته و نرخ انتقال حرارت در مقایسه با آرایش مربعی بالاتر است. بنابراین آنچه بیان شده نتیجه میگیریم که انتخاب آرایش تیوب ها بستگی مستقیم به افت فشار و نرخ انتقال حرارت مطلوب خواهد داشت.

بافل ها و انواع آن

مسلم است که هر چند طول تیوب های مبدل حرارتی چیلر بیشتر شود وزن آنها بیشتر شده و احتمال شکم دادن و خم شدن شان بیشتر میشود. بافل ها در واقع به عنوان نگه دارنده و پشتیبان تیوب ها به کار میرود و بنابراین نقش موثری را در کاهش تنش در تیوب ها و تیوب شیت ایفا میکنند. تجربه ثابت کرده است نرخ انتقال حرارت در حالت جریان مغشوش نسبت به حالت جریان ارام بیشتر است. بافل ها ضمن انکه تیوب ها را در برابر افتادگی و ارتعاش حمایت میکند با ایجاد جریان مغشوش باعث افزایش انتقال حرارت مبدل میگردد. بافل های دایره ای که معمولا از جنس فلز یا تفلون میباشد که یک قطاع از آن به صورت افقی یا عمودی بریده شده است. هر بافل قطاعی نسبت با بافل قطاعی قبل و بعد خود در جهت مخالف نصب میگردد این نوع آرایش بافل ها باعث خواهد شد که سیال سمت پوسته چندین بار به صورت عرضی از روی تیوب ها عبور کند. در صورتی که بافل های قطاعی به صورت افقی نصب شوند در مبدل نصب شوند بستگی به نوع سیال و شرایط بهره برداری دارد، برای مثال فرض کنید در یک کندانسور بافل ها به صورت افقی نصب شوند، در این حالت بافل ها برای سیال تقطیر شده همانند یک سد عمل نموده و جریان آن را محدود میکنند علاوه بر این تخلیه و خروج سیال تقطیر شده از مبدل حرارتی چیلر با کندی و به سختی صورت میگیرد و در نتیجه بازده مبدل کاهش میابد.

اواپراتورهای چیلر تراکمی

در این نوع از مبدل های حرارتی تیوب شیت به بدنه مبدل محکم میشود و انبساط و انقباض ها باعث تنش در تیوب ها و تیوب شیت میشوند. در مبدل های پوسته لوله ای جنس لوله از مس و جنس پوسته از فولاد ضد زنگ است. اواپراتور از نوع پوسته لوله ای که تعدادی لوله مسی در داخل یک استوانه عایق شده قرار میگیرند. مبرد از داخل لوله عبور میکند و آب یا سیال خنک شوند از داخل پوسته عبور میکند. پس اواپراتور چیلرها یک مبدل شل و تیوب میباشد. سرعت آب در اواپراتور در محدوده 3 تا 12 فوت در ثانیه در نظر گرفته میشود تا جریان آب در پوسته مغشوش شود وآن به خوبی صورت گیرد. به نحوی که سرعت زیاد موجب فرسایش و جریان آرام مسبب رسوب گذاری و عدم انتقال حرارت نگردد. اوصولا اغتشاش جریان در اواپراتور با توجه به وجود تیغه های هدایت و فواصل نسبتا کم لوله ها نسبت به یکدیگر، انتقال حرارت بین آب و مبرد را افزایش میدهد. زمانی که دمای آب خروجی از اواپراتور تغییر یابد کار کمپرسور نیز تغییر میکند.

در بین لوله ها بافلهای آلومینیومی کار گذاشته میشود تا نرخ انتقال حرارت افزایش یابد. این امر به دلیل افزایش سطح انتقال حرارت میباشد. اتصال مکانیکی لوله ها با بافلها های آلومینیومی توسط ماشین اکسپندر صورت میگیرد. این عمل به گونه ای است که بافل و لوله به صورت یکپارچه در می اید تا بازده در انتقال حرارت افزایش یابد. بر روی لوله های اواپراتور در برخی مواقع کندانسور نیز فین های ریزی تراشیده میشود تا انتقال حرارت افزایش یابد و یا در لوله اواپراتور از فین ها به صورت ستاره استفاده میکنند. به طور کلی استفاده از لوله های فین دار در داخل و یا خارج لوله موجب افزایش 3 تا 4 برابرسطح انتقال حرارت میشود این امر موجب کوچک شدن مبدل حرارتی چیلر از یک طرف، سبک و کم حجم شدن چیلر و افزایش افت فشار در داخل مبدل از دیگر میشود که البته مزایای این روش بسیار از معایب آن است.

اواپراتور باید در حدود 5 درجه سانتی گراد دمای آب ورودی را کاهش دهد. دمای آب ورودی به اواپراتور C ˚12 و خروجی آن به C ˚7 میباشد. این دما میتواند تا خروجی C ˚13 مطلوب باشد:

دبی آب سرد خروجی از چیلر عبارت است از مقدار ابی که در کل سیستم جریان میابد.

GPM=Qt/5000

GPM: دبی آب سرد جریانی برحسب گالن بر دقیقه gpm

Qt: بار سرمایی کل ساختمان BTU/HR

به ازای یک تن تبرید در شرایط استاندارد 2.4 گالن بر دقیقه برای اواپراتور در نظر گرفته میشود. برای اواپراتور آبی به ازای هر تن تبرید، 6 متر لوله مسی با سایز 5/8 ستاره دار استفاده شود.

کندانسور آبی چیلرهای تراکمی

همان طور که از اسم آن مشخص است توسط آب خنک میشود و دارای راندمان بالاتری نسبت به کندانسورهای هوایی دارد زیرا آب دارای گرمای نهان بالاتری است. در نتیجه دفع حرارت بیشتری را میتواند انجام دهد بنابراین در آنها فشار کمتر از کندانسور هوایی میباشد. اما عیب این کندانسورها هزینه نصب بالای آنها که احتیاج به مکان بزرگتر و قطعات و تجهیزات جانبی مانند برج خنک کن، پمپ های گردش آب، شیرآلات و اتصالات مخصوص و تعمیر و نگهداری بیشتری میباشد. کندانسور آبی پوسته لوله ای تشکیل شده است از یک مخزن استوانه ای که در آن لوله ای مسی قرار دارند، این لوله ها از دو طرف به تیوب شیت ها پرچ شده اند. در کندانسورهای آبی چیلر تراکمی در داخل لوله های مسی اب در جریان دارد و گازی که در اطراف این لوله ها وجود دارد سرد میشود. گاز گرمی که از بالای کندانسور های ابی وارد میشود، چون تحت فشار است به محیط سرد (لوله های مسی) برخورد کرده و مایع شده و در پایین کندانسور جمع میشود، این مبرد از زیر کندانسور وارد مدارچیلر میگردد. روی لوله های مسی در کندانسورها برای ایجاد سطح حرارتی بیشتر، فین زده میشود. اب برج خنک کن از قسمت زیرین کلگی کندانسور وارد شده و از قسمت بالای آن خارج میشود( آب گاز را خنک کرده و خارج میشود) این اب به برج خنک کننده رفته و در ان سرد شده و سپس دوباره توسط پمپ باز میگردد واین گردش آب بین کندانسور و برج خنک کننده ادامه مییابد. اگر سرعت اب در کندانسور زیاد باشد موجب ایجاد ساییدگی و افزایش ارتعاش و صدا میشود و اگر سرعت کم باشد موجب تشکیل رسوب در کویل میشود. دمای تقطیر در کنداسور روی F ˚100 تا F ˚125 نهایت تنظیم میشود که در شرایط استاندارد روی F ˚105 تنظیم میشود.

اختلاف دمای ورودی و خروجی آب کندانسور معادل F˚10 میباشد. دمای آب ورودی به کندانسور آبی که همان دمای خروجی از برج F ˚85 اب خروجی از کندانسور آبی همان دمای ورودی اب به برج خنک کننده میباشد که معادل دمای F ˚95 است. دمای اب خروجی از کندانسور میتواند بین 30 تا 40 درجه سانتی گراد طراحی شود و اختلاف دمای آب ورودی و خروجی از کندانسور بین 3 تا 10 درجه سانتی گراد میباشد. برای کندانسورهای آبی به ازای هر تن تبرید 2.5 الی 3 متر لوله مسی به سایز ¾ فین دار استفاده میگردد. معمولا به ازای هر تن تبرید ظرفیت سرمایی چیلر، حدود 3GPM آب جهت خنک کردن کندانسور منظور میگردد. دبی آب کندانسور حدود 15 تا 20 درصد بیشتر از دبی آب اواپراتور میباشد. دبی اب کندانسور از اهمیت بیشتری نسبت به دبی اواپراتور برخوردار است زیرا کندانسور مستقیما بر عملکرد کمپرسور تاثیر گذار است. در صورتی که دبی آب کندانسور کمتر از حد مشخص شده باشد و یا دمای آب ورودی به کندانسور بالا باشد. دمای مبرد به اندازه کافی پایین نمیاید و از توان سرمایش چیلر و بازده آن کاسته میشود.