بررسی کامل کویل های کندانسورهای هوایی چیلر و سردخانه

چیلرهای تراکمی و سیستم های تبرید به جهت کندانسورها و اواپراتورها از مبدل های حرارتی استفاده میکنند. این مبدل ها که هوا خنک شونده نام دارند به وسیله سیال هوا و با حرکت جریان سیال باعث کاهش دما و تغییر فاز مبرد میگردد. در مقاله سعی میگردد به صورت کامل اجزای مبدل های حرارتی و نحوه محاسبات انتقال حرارت مبدلهای حرارتی را بررسی گردد.

مبدل های حرارتی هوایی برای انتقال حرارت مستقیم از سیال به هوای آزاد مورد استفاده قرار می گیرند. اولین مزیتی که می توان بیان کرد عدم نیاز این نوع مبدل ها به آب است. در نتیجه نیازی به تصفیه آب تغذیه و تخلیه آب خروجی نخواهیم داشت. در کاربردهای تهویه مطبوع و تبرید استفاده از این مبدلها تا سقف ده تن تبرید معمول است اما در مناطقی که شیوه های دیگر (برج خنک کن و تبخیری) قابل کاربرد نباشند تا سقف 100 تن تبرید نیز قابل کاربرد است. از عوامل موثر بر کارکرد مبدل هوایی می توان به موارد ذیل اشاره کرد:

• قطر لوله ها
• طول لوله ها
• ارتفاع پره
• تعداد ردیف لوله ها
• تعداد مسیرها
• سطح موثر
• قدرت پروانه

در بخش های بعدی تعاریف و اصطلاحات مورد استفاده در مبدلهای حرارتی هوایی را شرح می دهیم.

انواع مبدل های هوایی

تقسیم بندی های مختلفی برای انواع مبدلهای هوایی وجود دارد، از جمله می توان به تقسیم مبدلها به دو نوع جابه جایی طبیعی و جابه جایی اجباری اشاره نمود.

در مبدل های بر اساس جا به جایی طبیعی انتقال حرارت به کمک نیروی غوطه وری صورت می پذیرد. این نوع مبدل ها را می توان در کندانسور پشت یخچال های خانگی مشاهده نمود.

مبدل های جابه جایی اجباری برای جابه جایی هوا از یک پروانه استفاده می کنند. دو نوع متداول جابه جایی اجباری و جابه جایی القایی هستند.(شکل 1). هر کدام از این دو نوع برای کاربردها و شرایط خاص مزایا و معایبی دارند.

جدول 1 مبدل جابه جایی اجباری

جدول 2 مبدل جابه جایی القایی

اجزای مبدل هوایی

• یک یا چند کویل به عنوان سطح انتقال حرارت.
• وسیله جابه جایی هوا، معمولا یک پروانه.
• موتور و ابزار کاهش سرعت.
• محفظه بین کویل و پروانه که هوا به سمت سطح کویل هدایت کند (پلنیوم).
• سازه نگهدارنده.
• محافظ برای پره گردنده.
• دریچه های قابل تنظیم برای تنظیم دمای خروجی (انتخابی).

تعاریف مربوط به کویل ها

در ارتباط با حوزه تهویه مطبوع، کویل یک مبدل حرارتی است. سیال گرم کننده یا خنک کننده از روی کویل عبور میکند، بسته به تفتاوت نسبی دما بین سیال و هوای عبوری، به ترتیب گرما را از جریان هوای عبوری دفع و یا جذب می کند.

لوله Tube

لوله ها مسیر عبور سیال گرم کننده یا خنک کننده هستند. لوله های مورد استفاده در کویل ها قطر کمی دارند. جنس لوله ها به طور معمول از جنس مس است اما لوله ها با جنس متفاوت نیز وجود دارند. برا ی اتصال لوله ها از یک تکه لوله U شکل استفاده می شود که با لحیم یا جوش به لوله های دیگر متصل می شود.

پره Fin

پره یا فین صفحه فلزی نازکی است که به لوله متصل می شود تا کارایی انتقال حرارت از سیال به جریان هوا را افزایش دهد. جنس فینها معمولا از آلومینیوم یا مس است.

هدر Header

هدر لوله ای با قطر زیاد است که چند لوله کوچک به آن متصل هستند. وظیفه آن تقسیم سیال گرم کننده/ خنک کننده به سایر لوله ها است. هدرها به طور معمول از نوع فلزات غیر آهنی و یا از جنس استیل هستند.

محفظه Casing

سازه فلزی که مجموعه لولها و هدر را شامل می شود. در حالت کلی از جنس آهن گالوانیزه ساخته می شود ولی ممکن است از سایر مواد، مانند استنلس استیل، نیز در ساختن آن استفاده شود.

ورودی و خروجی Nozzles

نازلها لوله هایی هستند که به هدر متصل می شوند تا سیال گرم کننده/خنک کننده به کویل وارد یا از آن خارج شوند.

در کویلهای آبی، لوله تغذیه ورودی در سمتی از کویل قرار می گیرد که هوا از کویل خارج می شود. لوله خروجی در سمتی قرار می گیرد که هوا وارد کویل می شود. چنین حالتی را حالت جریان متقابل می گوییم Counter Flow.

در کویل های بخار، ورودی همواره در قسمت بالایی بدنه قرار دارد تا مایع چگالیده از قسمت پایین بدنه تخلیه شود.

سطح فین دار یا سطح پیشانی

سطح موثر کویل بر اساس حاصلضرب عرض در طول سطح فین دار کویل که جریان هوا از آن عبور می کند تعریف می شود. سطح فین دار شامل ابعاد اضافی مربوط به محفظه خارجی نمی شود.

سرعت پیشانی

سرعت جریان هوا، معمولا بر حسب fpm، عبوری از سطح فین دار کویل را سرعت پیشانی می نامیم. مقدار عددی آن از تقسیم حجم هوای عبوری، معمولا بر حسب cfm، بر سطح پیشانی کویل، معمولا بر حسب فوت مربع، به دست می آید.

اولین قدم در انتخاب اندازه یک دستگاه هوا ساز تعیین حداکثر مقدار مجاز سرعت پیشانی است. مقدار حداکثر سرعت با توجه به محدودیتهای ذیل تعیین می گردد:

1. عدم انتقال رطوبت به داخل کانال های تهویه (تنها در مورد کویلهای سرمایش).
2. افت فشار هوا در عبور از داخل کویل.
3. کارامدی انتقال حرارت.

حداکثر سرعت مجاز برای جلوگیری از انتقال رطوبت به داخل کانال تهویه به جنس کویل، فاصله بین فینها، مقدار رطوبت موجود در کویل و هندسه فضای بین کویل و پروانه ورودی یا کانال تهویه بستگی دارد. از آنجا که مقدار رطوبت و همینطور هندسه فضای کویل و کانال متغیر هستند (به عنوان مثال در دستگاه های افقی، مکش و یا دهشی)، باید در تعیین حداکثر سرعت مجاز این موارد را در نظر داشته باشیم.

انرژی مصرفی پروانه نیز وابسته سرعت پیشانی است، مقاومت هوا تقریبا متناسب با مربع سرعت پیشانی است.

بنا بر دلایل فوق، حداکثر سرعت پیشانی به طور معمول محافظه کارانه (پایین تر) تعیین می شود. سرعتهای پیشانی طراحی عبارتند از:

جدول 3 محدوده سرعت هوا

در کاربردهای حجم هوای متغیر (VAV)، دستگاه در بیشتر اوقات حجم هوای پایینتر از حالت پیک دارد. در چنین حالتی سرعت پیشانی از طرف بالاتر محدوده مجاز انتخاب می شود.

تعداد لوله در ردیف TubeFace

عددی است که تعداد لولها در هر یک از ردیفهای لوله را نشان می دهد. برای محاسبه آن باید تعداد لوله ها را در سطحی که باد به آن می وزد شمارش کرد. به همین ترتیب تعداد ردیف هم در جهت عمود بر جهت شمارش تعداد لوله های سطح شمارش می شود.

شکل 3 یک کویل 4 ردیفه را که در هر ردیف 4 لوله دارد را نشان می دهد. به نحوه چینش لولها به شکل نامنظم توجه کنید.

کویلهای سرمایش به طور معمول در انواع 4، 6، 8 و 10 ردیفه موجود هستند. بهتر است لوله ها قطر خارجی برابر 1/2 in داشته باشند تا انتقال حرارت در جریان سیال کم افزایش پیدا کند. کویلها باید برای کارایی حداکثر از سیال طراحی شوند. برای سیال آب تفاوت دما 12 تا 16 درجه فارنهایت به طور معمول استفاده می شوند و نقاط بهینه طراحی را ارائه می دهند.

مسیر Pass

مسیر یا پاس قسمتی از مدار است که سیال فقط یکبار از جریان هوا عبور می کند، یعنی تعداد پاس، تعداد دفعاتی است که سیال از ابتدا تا انتهای مبدل حرکت می کند. شکل 4 یک مدار 4 مسیره را نمایش می دهد.

مدار Circuit

مدار به تعدادی از ردیف ها (یا قسمتی از ردیفها) اشاره می کند که توسط یک پاس تغذیه می شوند. به عنوان مثال در یک مبدل 4/4 یعنی چهار ردیف و چهار پاس سیال از تمام ردیفها می گذرد و مدار کامل Circuit Full را طی می کند(شکل 4). در مبدل8/4 با چهار دریف و هشت پاس سیال در نصف هر ردیف رو به جلو حرکت می کند و در نصف دیگر همان ردیف به عقب باز می گردد که یک مدار نیمه Half Circuit است. حال اگر مبدلی 2/4 داشته باشیم یک مدار دوبرابر Double Circuit خواهیم داشت (شکل 5).

برای محاسبه تعداد مدارها و مسیرها، تعداد لوله هایی را که توسط هدر ورودی تغذیه می شوند بشمارید، تعداد لوله ها در هر ردیف را بر آن تقسیم نمایید، عدد حاصل را بر تعداد ردیفها تقسیم کنید، نزدیکترین عدد صحیح تعداد مسیرها است. مداربندی نیز از تقسیم تعداد ردیفها بر تعداد مسیرها مشخص می شود.

محاسبات انتقال حرارت کویل های مسی کندانسور هوایی

• محاسبه ضریب انتقال حرارت سمت لوله
  • انتقال حرارت بدون تغییر فاز
  • انتقال حرارت همراه چگالش (مانند کندانسور) (اینجا در نظر گرفته نشده است)
  • انتقال حرارت همراه با جوشش (مانند اواپراتور) (اینجا در نظر گرفته نشده است)
• محاسبه ضریب انتقال حرارت سمت هوا
  • انتقال حرارت بدون تغییر فاز
• محاسبه افت فشار سمت لوله
• محاسبه افت فشار سمت هوا
• اعتبار سنجی برنامه

محاسبه ضریب انتقال حرارت سمت لوله

برای محاسبه ضریب انتقال حرارت سمت لوله در جریان آشفته از رابطه معروف Dittus Buliter استفاده کرده ایم، البته تصحیح seider را هم لحاظ کرده ایم. سیال آب و بدون تغییر فاز در نظر گرفته شده است.

 Turbulent 0.7<pr<160 red>10000 L/D>10.

برای جریان لایه ای هم در داخل کانال لوله ای ا ز nu=4.36 استفاده می کنیم.

البته در جریان انتقالی بین عدد رینولدز 2000 تا 10000 می شود از فرمول انتقالی

استفاده نمود. که در اینجا به دو علت از آن استفاده نکردیم:

1. جریان در حالت معمول در حالت آشفته است.
2. در مقدار انتقال حرارت با تغییر بسیار کم دبی آب تفاوت زیادی ایجاد می شود که باعث خطا خواهد شد.

محاسبه ضریب انتقال حرارت سمت هوا

• Nu = c*(re^m)*pr^(0.36)*(pr/prs)^(1/4) [1]
• h = j4 * cp * gmax / (pr^(2/3))  [2]
• h=39*v^(0.5)                          [3]
• Nu = 0.117 * re^(0.65) * pr^(1/3) [4]

به نظر می رسد محتاطانه ترین فرمول برای محاسبه ضریب انتقال حرارت سمت هوا در فینهای از نوع ساده در محدوده 1 تا 40 متر مکعب در ساعت از رابطه شماره 4 محاسبه می شود. اما رابطه دوم تخمین واقعی تر و کامل تری است بنابر این از رابطه 2 استفاده نموده ایم. علاوه بر فینهای تخت روابط فوق سالهاست که مورد استفاده هستند، بر خلاف سایر انواع فینها که رابطه قابل اعتماد کلی وجود ندارد. پس به عنوان معیار می توان به مقادیر حاصل از آنها اعتماد نمود.

در مورد فینهای موجی و زاویه دار، دو عامل باعث افزایش نرخ انتقال حرارت می شود

دستورالعمل تمیز کردن سطوح کویل های دستگاه ها:

 سطوح کویل ها از پره هایی(fin) با جنس آلومینیوم ویا مس میباشند. که معمولا پس از مدتی هنگام بهره برداری این سطوح به دلیل عبورجریان هوا روی آنها جرم گرفته و کثیف میشوند که این جرم ها باعث کاهش راندمان دستگاه میگردد. برای برطرف نمودن گرد و غبار و آلودگی ها نیاز است سطوح کویل ها تمیز گردند.

 برای تمیزکردن سطوح کویل ها رعایت موارد زیر الزامی میباشد:

1. حداقل هر سه ماه یک بار سطوح کویل ها بازرسی گردد. (این بازرسی بسته به شرایط اقلیمی ومحیطی کار دستگاه میتواند هفته ای یک بار باشد)
2. دستگاه در حالت خاموش و برق اصلی قطع گردد.
3. کویل ها را با هوای فشرده تمیز نمائید.
4. فشار هوای مصرفی 50 -60 psi و رعایت فاصله از سطح کویل (حداقل 50mm) ضروری است.
5. به دلیل آسیب دیدن قطعات وکنترل های الکتریکی برای شستشو از آب ومواد شوینده شیمیایی استفاده نگردد.
6. هنگام تمیز کردن کویل از تماس مستقیم دست و یا ابزار با کویل ها خودداری گردد.
7. نازل جهت هوا باید نسبت به سطح کویل عمود باشد تا از خم شدن پره ها (fin) جلوگیری شود.