انواع مبدل حرارتی در چیلر
چیلرها مانند قلب سیستم‌های سرمایشی در ساختمان‌ها و صنایع عمل می‌کنند. این دستگاه‌های بزرگ وظیفه دارند آب را خنک کرده و آن را به سیستم‌های تهویه مطبوع مانند فن‌کویل‌ها و هواسازها بفرستند تا دمای محیط را کاهش دهند. عملکرد چیلرها به شدت به مبدل‌های حرارتی وابسته است، زیرا این مبدل‌ها نقش واسطه‌ای بین سیالات مختلف را بازی می‌کنند. در چیلرهای تراکمی، دو نوع عمده وجود دارد: چیلرهای هواخنک و آب‌خنک.
چیلرهای هواخنک برای تخلیه گرما از هوا استفاده می‌کنند، در حالی که چیلرهای آب‌خنک از آب برای این کار بهره می‌گیرند. مبدل‌های شل و تیوب یا صفحه‌ای در اواپراتورها، و مبدل‌های پوسته-لوله در کندانسورها، وظیفه انتقال حرارت بین مبرد و سیال را دارند. در مقابل، چیلرهای جذبی از انرژی حرارتی برای ایجاد سرمایش استفاده می‌کنند و به چهار مبدل کلیدی شامل اواپراتور، کندانسور، ابزوربر و ژنراتور نیاز دارند. هر کدام از این مبدل‌ها یک حلقه حیاتی در چرخه سردسازی است که بدون آنها چیلرها قادر به عملکرد مناسب نخواهند بود.
مطالعه بیشتر: تاسیسات موتورخانه
مبدل پوسته لوله
مبدل‌های حرارتی با طراحی‌های خلاقانه و پیچیده خود، نقش مهمی در انتقال حرارت بین سیالات در سیستم‌های مختلف صنعتی و تهویه مطبوع دارند. یکی از مهم‌ترین اجزای این مبدل‌ها، دسته لوله‌هایی است که درون یک پوسته استوانه‌ای قرار می‌گیرند. این لوله‌ها ممکن است از جنس مس یا فولاد ساخته شده و به دو صورت در مبدل نصب شوند: در نوع U-Tube، لوله‌ها از یک طرف خم می‌شوند و به صفحه تیوب در انتها متصل می‌گردند. در مقابل، در نوع Straight Tube، لوله‌ها بدون خمیدگی به دو صفحه تیوب در دو طرف پوسته متصل می‌شوند.
پوسته، که در انتهای خود دارای اتصالات فلنجی است، به کلاهک‌هایی متصل می‌شود که صفحات جداکننده داخلی دارند و به سیال اجازه می‌دهند که از طول مبدل چندین بار عبور کند. این عبور مکرر سیال از روی تیوب‌ها، افزایش تبادل حرارتی را ممکن می‌سازد.
یکی از اصول مهم در طراحی مبدل‌ها، افزایش سطح تماس بین سیال و لوله‌هاست. تیوب‌هایی با قطر کمتر، سطح بیشتری برای تبادل حرارت فراهم می‌کنند و نرخ انتقال حرارت سریع‌تر خواهد بود. فین‌هایی که به صورت داخلی یا خارجی روی لوله‌ها قرار می‌گیرند، مساحت سطح انتقال حرارت را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهند و به این ترتیب، انتقال حرارت بسیار کارآمدتر صورت می‌گیرد.
قطر لوله‌ها معمولاً بین ¼ اینچ تا 2½ اینچ متغیر است، اما رایج‌ترین اندازه‌ها ½، ¾ و 1 اینچ هستند. طول استاندارد تیوب‌های مبدل نیز از 8 تا 20 فوت متغیر بوده و سایزهای 16 و 20 فوت به عنوان معمول‌ترین ابعاد شناخته می‌شوند. این تنوع در اندازه‌ها و طراحی، انعطاف‌پذیری زیادی در کاربرد مبدل‌های حرارتی فراهم می‌کند و باعث می‌شود این تجهیزات به یکی از مهم‌ترین عناصر در سیستم‌های سرمایشی و گرمایشی تبدیل شوند.
مطالعه بیشتر: پکیج موتورخانه
تیوب شیت ها
مبدل‌های حرارتی یکی از پیچیده‌ترین تجهیزات انتقال حرارت هستند که طراحی آنها به دقت بالایی نیاز دارد، به ویژه در بخش‌هایی مانند اتصال تیوب‌ها به تیوب شیت‌ها. دسته تیوب‌ها با عبور از سوراخ‌های تیوب شیت مهار می‌شوند و در برخی موارد، تیوب‌ها و تیوب شیت‌ها به طور ثابت به بدنه مبدل متصل می‌شوند. اما این ثبات می‌تواند چالش‌هایی ایجاد کند، زیرا تیوب‌ها هنگام عبور جریان‌های گرم، به طور طبیعی منبسط می‌شوند.
اگر تیوب شیت به صورت ثابت در مبدل نصب شده باشد و امکان حرکت نداشته باشد، این انبساط حرارتی تیوب‌ها موجب ایجاد تنش‌های زیادی می‌شود. این تنش‌ها در نهایت منجر به شل شدن تیوب‌ها در محل اتصال با تیوب شیت می‌شود، و نشت سیال از این ناحیه اتفاق می‌افتد. این نشت ممکن است باعث مخلوط شدن دو سیال با هم شود که می‌تواند خطراتی همچون آلودگی سیال‌ها و کاهش بازده حرارتی مبدل را به همراه داشته باشد.
برای جلوگیری از این مشکلات، طراحی‌های مدرنی برای تیوب شیت‌ها به کار می‌رود که به آنها امکان می‌دهد کمی حرکت کرده و فشار ناشی از انبساط حرارتی تیوب‌ها را کاهش دهند. این نوع طراحی انعطاف‌پذیرتر، ضمن کاهش نشت، به حفظ عملکرد بهینه مبدل نیز کمک می‌کند و باعث می‌شود سیالات بدون تداخل در مسیرهای جداگانه خود جریان داشته باشند.
نحوه اتصال تیوب ها در تیوب شیت
کیفیت اتصال تیوب‌ها به تیوب شیت‌ها یکی از عوامل کلیدی در کارایی و عمر مفید مبدل‌های حرارتی است. هر چه این اتصال دقیق‌تر و اصولی‌تر انجام شود، خطر نشت سیالات از این ناحیه کاهش یافته و عملکرد مبدل بهینه‌تر خواهد بود. برای اتصال انتهای تیوب‌ها به تیوب شیت، دو روش رایج وجود دارد: رول انبساطی و جوشکاری.
در روش رول انبساطی، تیوب‌ها به طور مکانیکی منبسط می‌شوند تا به طور کامل در سوراخ‌های تیوب شیت قفل شوند. این روش علاوه بر ایجاد یک آب‌بندی موثر، بسیار مقرون‌به‌صرفه است و در اکثر سرویس‌ها تا فشارهای حدود 2000 پوند به راحتی جوابگو خواهد بود. این تکنیک به دلیل انعطاف‌پذیری و کارایی بالایی که دارد، برای بسیاری از کاربردهای صنعتی و سیستم‌های با فشار متوسط مورد استفاده قرار می‌گیرد.
اما در سرویس‌هایی که با فشارهای بسیار بالا سر و کار دارند، اتصالات مکانیکی تنها کافی نیست. در این مواقع، جوشکاری انتهای تیوب‌ها به تیوب شیت مورد استفاده قرار می‌گیرد تا یک اتصال بسیار محکم و مقاوم در برابر نشت فراهم شود. این روش اگرچه هزینه‌برتر است، اما برای سرویس‌های پر فشار که ایمنی و پایداری از اهمیت بالایی برخوردار است، یک گزینه ایده‌آل محسوب می‌شود.
بنابراین، انتخاب بین روش‌های رول انبساطی و جوشکاری به میزان فشار سیال و شرایط عملیاتی بستگی دارد. هرچه نیاز به فشارهای بالاتر و آب‌بندی قوی‌تر باشد، هزینه جوشکاری توجیه بیشتری پیدا می‌کند.
نحوه قرارگیری و آرایش تیوب ها در تیوب شیت ها
آرایش تیوب‌ها در مبدل‌های حرارتی چیلر نقش کلیدی در بهینه‌سازی عملکرد سیستم دارد. چهار نوع آرایش متداول شامل مربعی، مربعی چرخیده، مثلثی و مثلثی چرخیده است که هر کدام ویژگی‌های خاص خود را دارند و بسته به نیازهای سیستم انتخاب می‌شوند.
در آرایش مربعی، تیوب‌ها به شکل منظم در خطوط افقی و عمودی قرار می‌گیرند، که باعث ایجاد کمترین مقاومت در برابر جریان سیال در سمت پوسته می‌شود. به همین دلیل، این آرایش زمانی استفاده می‌شود که افت فشار پایین در سیستم مورد نیاز باشد. این چیدمان همچنین از تعداد کمتری تیوب در سطح معین استفاده می‌کند، به این معنا که چگالی تیوب‌ها در آن نسبت به دیگر آرایش‌ها کمتر است. در نتیجه، نرخ انتقال حرارت در آرایش مربعی نسبتاً پایین‌تر خواهد بود، زیرا سطح تبادل حرارتی کوچکتری در مقایسه با چیدمان‌های متراکم‌تر دارد.
از سوی دیگر، آرایش مثلثی که تیوب‌ها را به صورت چرخیده و در زوایای تنگ‌تری قرار می‌دهد، باعث افزایش تراکم تیوب‌ها در یک سطح معین می‌شود. این چیدمان نه تنها نرخ انتقال حرارت بالاتری را ارائه می‌دهد، بلکه افت فشار بیشتری نیز ایجاد می‌کند، زیرا سیال باید از مسیرهای پیچیده‌تری عبور کند و مقاومت بیشتری تجربه می‌کند.
در نتیجه، انتخاب نوع آرایش تیوب‌ها به دو عامل اصلی وابسته است: افت فشار و نرخ انتقال حرارت مطلوب. اگر هدف سیستم کمینه کردن افت فشار باشد، آرایش مربعی بهترین گزینه است. اما اگر نیاز به حداکثر انتقال حرارت وجود داشته باشد، آرایش مثلثی انتخاب بهتری خواهد بود، حتی با وجود افزایش افت فشار.
مطالعه بیشتر: تاسیسات استخر و جکوزی
بافل ها و انواع آن
در مبدل‌های حرارتی چیلر، هرچه طول تیوب‌ها بیشتر شود، وزن آنها افزایش می‌یابد و احتمال خم شدن یا افتادگی آنها نیز بیشتر می‌شود. در این میان، بافل‌ها به عنوان پشتیبان و نگه‌دارنده‌ای برای تیوب‌ها نقش حیاتی دارند. بافل‌ها نه‌تنها تنش مکانیکی در تیوب‌ها و تیوب شیت را کاهش می‌دهند، بلکه جریان سیال را نیز بهینه‌سازی می‌کنند.
یکی از اصول مهم در بهبود کارایی مبدل‌های حرارتی، ایجاد جریان مغشوش در مسیر سیال است، چرا که تجربه نشان داده جریان مغشوش می‌تواند نرخ انتقال حرارت را نسبت به جریان آرام افزایش دهد. بافل‌ها با تنظیم جریان سیال و مجبور کردن آن به عبور عرضی از روی تیوب‌ها، جریان مغشوش را ایجاد می‌کنند. این کار باعث می‌شود سیال بارها از روی تیوب‌ها عبور کرده و به طور مداوم حرارت را به تیوب‌ها منتقل کند.
بافل‌های دایره‌ای معمولاً از جنس فلز یا تفلون ساخته می‌شوند و یک بخش از آنها به صورت افقی یا عمودی بریده شده است. این برش‌ها و نصب مخالف بافل‌های متوالی به نحوی طراحی می‌شوند که سیال را مجبور به حرکت زیگزاگی از روی تیوب‌ها می‌کنند. این جریان عرضی چندگانه باعث بهبود انتقال حرارت می‌شود.
اما نحوه نصب بافل‌ها بسته به نوع سیال و شرایط عملیاتی تفاوت می‌کند. به عنوان مثال، اگر در یک کندانسور بافل‌ها به صورت افقی نصب شوند، می‌توانند مانند یک سد عمل کنند و مانع از جریان آزاد سیال تقطیر شده شوند. این محدودیت در جریان سیال منجر به کاهش سرعت تخلیه و خروج سیال از مبدل می‌شود و در نتیجه بازده کلی مبدل کاهش می‌یابد. بنابراین، نصب صحیح و بهینه بافل‌ها بسته به نوع سیال و طراحی سیستم بسیار حیاتی است تا هم از افتادگی تیوب‌ها جلوگیری شود و هم کارایی انتقال حرارت حفظ شود.
اواپراتورهای چیلر تراکمی
در این نوع مبدل‌های حرارتی، تیوب شیت به بدنه مبدل به صورت ثابت متصل می‌شود، که می‌تواند در مواجهه با انبساط و انقباض ناشی از تغییرات دما، تنش‌های قابل توجهی را در تیوب‌ها و تیوب شیت ایجاد کند. این موضوع می‌تواند به مرور زمان بر عملکرد و طول عمر مبدل تأثیر بگذارد. در مبدل‌های پوسته لوله‌ای، ترکیبی از مواد مختلف به کار می‌رود؛ معمولاً لوله‌ها از جنس مس هستند که به دلیل هدایت حرارتی بالا استفاده می‌شوند و پوسته از فولاد ضد زنگ ساخته می‌شود که مقاوم به خوردگی و دوام بالا دارد.
اواپراتورهای پوسته لوله‌ای در چیلرها به این صورت کار می‌کنند که مبرد از داخل لوله‌های مسی عبور کرده و آب یا سیال خنک شونده از داخل پوسته. این ترتیب باعث می‌شود که انتقال حرارت بین آب و مبرد بهینه شود. بافل‌ها نیز که معمولاً از جنس آلومینیوم هستند، بین لوله‌ها قرار داده می‌شوند تا علاوه بر نگهداری لوله‌ها، جریان آب را به صورت مغشوش هدایت کنند و انتقال حرارت افزایش یابد. جریان مغشوش به دلیل افزایش سطح تماس سیال با تیوب‌ها، بازده انتقال حرارت را به شدت بهبود می‌بخشد. سرعت آب نیز به گونه‌ای تنظیم می‌شود که بین 3 تا 12 فوت بر ثانیه باشد تا فرسایش یا رسوب‌گذاری رخ ندهد.
یکی از تکنیک‌های کلیدی برای افزایش نرخ انتقال حرارت استفاده از لوله‌های فین‌دار است. این فین‌ها می‌توانند در داخل یا خارج لوله‌ها قرار بگیرند و با افزایش سطح انتقال حرارت، عملکرد اواپراتور را بهبود بخشند. فین‌های ریز یا فین‌های ستاره‌ای روی لوله‌های اواپراتور نصب می‌شوند و می‌توانند سطح انتقال حرارت را تا 3 یا 4 برابر افزایش دهند. این کار منجر به کوچکتر و سبکتر شدن مبدل حرارتی می‌شود که در عین حال باعث افزایش افت فشار نیز می‌شود، هرچند مزایای این روش به مراتب بیشتر از معایب آن است.
دمای ورودی و خروجی آب در اواپراتور تنظیم می‌شود تا کارایی سیستم حفظ شود. معمولاً آب ورودی به اواپراتور 12 درجه سانتی‌گراد است و خروجی آن 7 درجه، اما در برخی موارد این دما می‌تواند تا 13 درجه نیز تنظیم شود. دبی آب سرد خروجی از چیلر نیز بر اساس بار سرمایی کل ساختمان محاسبه می‌شود و این دبی تعیین‌کننده جریان آب در سیستم تهویه مطبوع است.
مطالعه بیشتر: تجهیزات استخر
کندانسور آبی چیلرهای تراکمی
کندانسورهای آبی، همان‌طور که از نام آنها پیداست، از آب برای خنک‌سازی استفاده می‌کنند و به همین دلیل راندمان بالاتری نسبت به کندانسورهای هوایی دارند. دلیل اصلی این راندمان بالاتر، ظرفیت بالای گرمای نهان آب است که باعث می‌شود آب توانایی بیشتری در دفع حرارت داشته باشد. این مزیت موجب می‌شود که فشار عملیاتی کندانسورهای آبی کمتر از همتایان هوایی آنها باشد، و این به نوبه خود، عمر مفید بیشتری برای تجهیزات به همراه دارد.
با این حال، یکی از معایب اصلی کندانسورهای آبی، هزینه نصب بالا و نیاز به فضای بیشتر است. چرا که علاوه بر خود کندانسور، تجهیزات جانبی دیگری نظیر برج خنک‌کننده، پمپ‌های آب، و انواع شیرآلات و اتصالات مخصوص نیز لازم است. همچنین نگهداری و تعمیرات این نوع سیستم‌ها نیز به دلیل پیچیدگی بیشتر، نیازمند توجه و هزینه‌های اضافی است.
در طراحی کندانسور آبی، یک مخزن استوانه‌ای قرار دارد که داخل آن لوله‌های مسی قرار گرفته‌اند. این لوله‌ها از دو طرف به تیوب شیت‌ها متصل هستند و آب سردکننده از درون این لوله‌ها عبور می‌کند. در همین حال، گاز گرم مبرد که از بالای کندانسور وارد می‌شود، در تماس با این لوله‌های مسی خنک شده و تبدیل به مایع می‌شود. این مایع سپس در قسمت پایینی کندانسور جمع‌آوری شده و به چرخه سرمایش چیلر بازمی‌گردد.
افزایش سطح انتقال حرارت کندانسور آبی
برای افزایش سطح انتقال حرارت، روی لوله‌های مسی فین‌هایی نصب می‌شود که باعث می‌شوند تبادل حرارت بین گاز و آب بهینه‌تر صورت گیرد. آب برج خنک‌کننده که برای خنک‌سازی لوله‌ها استفاده می‌شود، ابتدا وارد کندانسور شده، گاز را خنک کرده و سپس به برج خنک‌کننده بازمی‌گردد تا مجدداً خنک شود و این چرخه تکرار می‌شود.
نکته‌ای که باید به آن توجه شود، سرعت جریان آب است. اگر سرعت بیش از حد بالا باشد، باعث ساییدگی و ارتعاش زیاد در سیستم می‌شود، در حالی که اگر سرعت آب خیلی کم باشد، می‌تواند منجر به رسوب‌گذاری در لوله‌ها شود که باعث کاهش کارایی حرارتی و عملکرد سیستم می‌شود.
دمای تقطیر در این نوع کندانسورها معمولاً بین 100 تا 125 درجه فارنهایت تنظیم می‌شود و شرایط بهینه در حدود 105 درجه فارنهایت است. اختلاف دمای ورودی و خروجی آب در کندانسور حدود 10 درجه فارنهایت است و دمای آب ورودی به کندانسور از برج خنک‌کننده معمولاً 85 درجه فارنهایت و دمای خروجی آن 95 درجه فارنهایت است.
در نهایت، دبی آب کندانسور به دلیل نقش کلیدی آن در خنک‌سازی و تأثیر مستقیم بر عملکرد کمپرسور، باید به دقت تنظیم شود. اگر دبی آب کندانسور کمتر از حد مطلوب باشد، مبرد به اندازه کافی خنک نمی‌شود و این موضوع باعث کاهش توان سرمایشی چیلر و کاهش بازده کل سیستم می‌شود.
جمع بندی
در این مقاله تلاش کردیم تا نحوه عملکرد موتورخانه را توضیح دهیم و نشان دهیم که چگونه این سیستم به گرمایش و سرمایش ساختمان کمک می‌کند. عملکرد موتورخانه به شدت وابسته به کارکرد صحیح تجهیزات و تاسیسات آن است. اگر هر کدام از این اجزا به درستی کار نکنند، کل سیستم دچار مشکل شده و نمی‌تواند به طور موثر دمای مطلوب را در ساختمان حفظ کند.
مجموعه تخصصی آراز صنعت به عنوان مجموعه تخصصی در زمینه فروشگاه تاسیسات موتورخانه، تولید کننده انواع تاسیسات و تجهیزات موتورخانه است. جهت خرید تجهیزات استخر و موتورخانه کافی است که با شماره پشتیبانی آراز صنعت ۰۹۰۳۸۰۰۸۰۵۲ تماس گرفته و انواع تاسیسات ضروری موتورخانه را از سراسر ایران سفارش دهید.
