اواپراتورها
اواپراتورها
که در آنها مایع فراری با دریافت گرمای نهان تبخیر از فضا یا محصولات سرد شونده تبخیر می شوند. به دلیل کاربرد وسیع و گوناگون تبرید مکانیکی، اواپراتورها در انواع، اشکال و اندازه های متنوع طراحی و ساخته می شوند.
اواپراتورهارا از نظر ساختمان، روش تغذیۀ مایع مبرد، شرایط کار، روش جریان هوا (یا مایع)، نوع کنترل کنندۀ مبرد و کاربرد، تقسیم بندی می کنند.
ساختمان اواپراتورها
اواپراتورها از نظر ساختمان به سه دسته تقسیم بندی می شوند
(1لوله ای (2 صفحه ای (3پره دار
اواپراتورهای لوله ای و صفحه ای گاهی اوقات تحت عنوان اواپراتورهای ساده طبقه بندی می شوند. زیرا تمام سطحشان تا حدودی با مبرد تبخیر شونده در تماس می باشد. ولی در اواپراتورهای پره دار سطوح اولیۀ انتقال حرارت صرفاً لوله ها هستند و پره ها به دلیل عدم تماس مستقیم با مادۀ مبرد، سطوح انتقال حرارت ثانویه نامیده می شوند که حرارت را از هوای محیط جذب و به لوله های حامل مبرد هدایت می کنند.
گرچه کارآیی اواپراتورهای لوله ای و صفحه ای در تمام دماها و در طرحهای متنوع، رضایت بخش می باشد معمولاً برای سرد کردن مایعات و هوا در محیطهایی که دمای فضا تا زیر 10 درجه سانتی گراد کاهش می یابد و جلوگیری از تشکیل برفک در روی سطح اواپراتور امکان پذیر نیست، مورد استفاده قرار می گیرند. تشکیل برفک بر روی این اواپراتورها، ظرفیت آنها را به اندازۀ اواپراتورهای پره دار، تحت تأثیر قرار نمی دهد. بعلاوه اغلب اواپراتورهای ساده به ویژه نوع صفحه ای به راحتی تمیز می شوند و می توان برفک جمع شده بر روی آنها را بدون قطع عمل سرماسازی و به خطر انداختن کیفیت محصولات سردشونده به وسیله برس زدن یا خرد کردن پاک نمود.
اواپراتورهای لوله ای
|
شکل (1) اواپراتور لوله ای |
کویل های لوله های بزرگ سقفی که باجریان طبیعی هوا عمل سرد کردن را انجام می دهند بیشتر دراتاق های نگهداری محصولات منجمد و سردخانه ها برای سرد کردن مقادیر زیادی هوا با سرعت جریان کم به کار می روند. این کویل ها همچنین به صورت خشک یا با پاشیدن آب به همراه دمنده های گریز از مرکز برای تهیه هوای سرد پرسرعت در انجماد وزشی، مورد استفاده قرار می گیرند.
اواپراتورهای صفحه ای
|
شکل (2) اواپراتور صفحه ای مارپیچ |
|
شکل(3) اواپراتور صفحه ای |
اواپراتورهای حاوی محلول اتکتیک به ویژه در مواقعی که ظرفیت ذخیره شده ای مورد نیاز باشد مفید است و بیشتر در کامیون های یخچال دار و به صورت افقی یا قائم در سقف یا دیوارهای آن نصب و به هنگام توقف در پارکینگ به سیستم تبرید مرکزی وصل می شود. بنابراین ظرفیت تبرید ذخیره شده ای برای سرد کردن محصول در کار روزهای بعد در محلول اتکتیک وجود خواهد داشت.در این نوع اواپراتورها درجۀ حرارت صفحات یا نقطۀ ذوب محلول اتکتیک کنترل می شود.
اواپراتورهای صفحه ای به صورت تکی یا گروهی به کار برده می شوند. صفحات ممکن است به صورت سری یا موازی به یکدیگر متصل شوند. اواپراتورهای صفحه ای به صورت چند طبقه در اتاقهای انجماد مورد استفاده قرار می گیرند. این اواپراتورها همچنین به طور وسیعی به صورت دیوارهای داخلی در فریزها ، یخچالهای ویترینی، یخچال های بستنی، مخازن کربنات و ... به کار می روند. اواپراتورهای صفحه ای به ویژه برای سردکردن مایعات در تأسیساتی که شرایط غیرعادی بار پیک(Peak) به صورت تناوربی اتفاق می افتد، مفید می باشد زیرا تشکیل برفک روی سطوح صفحات در بارهای کم، ظرفیت تبرید ذخیره ای را به وجود می آورد که به تجهیزات تبرید کمک می کند تا بتواند در شرایط پیک بار را تحمل نماید. چون این امر استفاده از تجهیزاتی با ظرفیت کمتر از ظرفیت لازم برای بارپیک را ممکن می سازد در هزینه های اولیه و جاری سیستم صرفه جویی می نماید.
اواپراتورهای پره دار
|
شکل(4) اواپراتور پره دار |
|
شکل (5) نمونه ای دیگر از اواپراتور صفحه ا ی |
فاصله و اندازۀ پره ها تا حدودی به نوع کاربرد و قطر لوله بستگی دارد و برحسب دمای اواپراتور تعداد آنها در هر متر بین 40 تا 500 عدد تغییر میکند.
چون تشکیل برفک بر روی کویل های سرد کنندۀ هوایی که در درجات حرارت پایین کار می کنند غیر قابل اجتناب است و تشکیل برفک موجب محدود شدن مجرای بین پره ها و کند شدن جریان هوا در روی کویل ها می شود بایستی برای به حداقل رساندن احتمال محدود شدن جریان هوا در اواپراتورهای طرح شده برای کاربردهای با دمای پایین، فاصلۀ پره ها بیشتر و تعداد آنها کمتر باشد(در حدود 80 تا 200 پره درهر متر) ولی در کویل های تهویه مطبوع و سایر کاربردهایی که درآنها دمای سطح کویل از دمای انجماد بالاتر است به دلیل عدم تشکیل برفک ، پره ها حتی با فواصل1/8میلی متر نیز چیده می شوند.
در کویل هایی که جریان هوا به صورت ثقلی و با جابه جایی طبیعی انجام می شود به منظور کاهش مقاومت کویل در مقابل جریان هوا، فاصله پره ها را بیشتر از کویل های فن دار انتخاب می کند.با توجه به اینکه پره های خارجی، تنها سطح بیرونی کویل را تحت تأثیر قرار می دهند افزودن بیش از حد پره ها نه تنها ظرفیت اواپراتور را افزایش نمی دهد، بلکه با محدود نمودن غیر ضروری جریان هوا موجب کاهش آن نیز می گردد.
چون ظرفیت اواپراتورهای پره دار در اثر تشکیل برفک، بیشتر از انواع دیگر تحت تأثیر قرار می گیرد، لذا برای سرد کردن های هوایی که دمای سطح کویل آنها از صفر درجه سانتی گراد بیشتر است مناسب می باشند. در صورت استفاده از این اواپراتورها در کاربردهای دمای پایین، می باید امکان برفک زدایی در فواصل زمانی معین وجود داشته باشد. این امر ممکن است بطور اتوماتیک انجام شود.
کویل های پره دار نسبت به اواپراتورهای ساده ،سطوح حرارتی بیشتری دارند و در ظرفیت یکسان، نسبت به اواپراتورهای لوله ای و صفحه ای، فضای کمتری را اشغال می نمایند و لذا استفاده از آنها موجب صرفه جویی قابل ملاحظه ای در فضا می شود. این امر استفاده از آنها را در دستگاههایی با جریان اجباری هوا، مناسب می سازد.
مزیت استفاده از لوله های پره دار
مزیت حاصل از پره دار کردن سطوح عبارت است از افزایش ضرایب هدایت فیلمهای سطوح داخلی و خارجی و افزایش نسبت سطح خارجی به داخلی لوله ها و در مواردی که شدت انتقال حرارت از سطح داخلی اواپراتور به مادۀ مبرد، بیشتر از شدت جذب حرارت به وسیلۀ سطح خارجی اواپراتور از سیال سرد شونده می باشد، ظرفیت کل اواپراتور به وسیلۀ ظرفیت سطح خارجی محدود می شود. در این صورت می توان با استفاده از پره ها ، مساحت سطح خارجی را به حدی افزایش داد که مقدار حرارت جذب شده به وسیلۀ این سطوح، تقریباً برابر حرارت انتقالی از سطح داخلی لوله ها به مایع مبرد شود و مقدار کل U افزایش می یابد.
با توجه به اینکه شدت انتقال حرارت به مایعات بیشتر از شد ت انتقال حرارت به گاز یا بخار می باشد، معمولاً مورد فوق بیشتر در سرد کردن هوا پیش می آید زیرا شدت انتقال حرارت از سطح داخلی اواپراتور به مایع مبرد، بیشتر از شدت انتقال حرارت از هوا به سطح خارجی اواپراتور می باشد.به همین دلیل استفاده از اواپراتورهای پره دار در کاربردهای سرد کردن هوا متداولتر است. در کاربردهای سرد کردن مایع به ویژه اگر از آمونیاک به عنوان مبرد استفاده شده باشد چون هر دو طرف لوله با مایع در تماس است و شدت انتقال حرارت در هر دو طرف تقریباً برابر می باشد بدون استفاده از پره اواپراتورهای لوله ای با راندمان بالایی کار می کنند. ولی در سردکنهای مایعی که از مبردهای فلور و کربنی استفاده می شود ممکن شدت انتقال حرارت در طرف سیال سرد شونده از شدت انتقال حرارت در طرف مبرد تجاوز نماید. در این صورت پره دار کردن لوله در طرف مبرد عملکرد اواپراتور را بهبود می بخشد.در صورتی که مبرد روی سطح خارجی لوله جریان داشته باشد استفاده از لوله هایی با پره های کوتاه و کم، نظیر یک لولۀ دنده دار مناسب خواهد بود.
لوله کشی اواپراتورها
همانطور که قبلاً شرح داده شد که افت فشار اضافی در اواپراتور موجب می شود بخار مکش با فشاری کمتری از فشار لازم به ورودی مکش کمپرسور رسیده و در نتیجه باعث کاهش ظرفیت و راندمان کمپرسور شود. برای جلوگیری از این امر اواپراتور باید چنان طراحی شود که مبرد حداقل افت فشار را داشته باشد. واضح است که معمولاً در عبور مبرد از اواپراتور، مقدار معینی افت فشار وجود دارد و به خاطر اینکه سرعت ،تابعی از افت فشار می باشد بنابراین افت فشار باید به حدی باشد که سرعت جریان مبرد، قدرت کافی برای جاروکردن روغن و حبابهای هوا از سطح داخلی لوله ها و برگرداندن آنها به کمپرسور را داشته باشد. بنابراین یک طراحی خوب به نوعی از لوله کشی اواپراتور نیاز دارد که افت فشار آن برابر حداقل مقدار لازم برای ایجاد سرعت کافی جهت فراهم نمودن شدت انتقال حرارت زیاد و برگشت خوب روغن به کمپرسور باشد.
بطور کلی افت فشار در لوله های یک اواپراتور، به قطر لوله ها ، طول مدار و با سرمایی بستگی دارد. بار مدار، شدت جریان حرارت در واحد زمان از دیواره های مدار بوده و مقدار مبردی را که باید در واحد زمان از مدار اواپراتور بگذرد تعیین می کند. یعنی با افزایش بار مقدار مبرد بیشتری از مدار عبور می نماید و افت فشار بیشتری ایجاد می شود. بنابراین بازای قطر معین لوله، برای جلوگیری از افت فشار اضافی ناشی از افزایش بار مدار بایستی طول لوله را کوتاهتر نمود.
اواپراتورهایی که تنها دارای یک مدار مبرد هستند، در محدوده های معینی از بار، عملکرد مطلوبی دارند ولی هنگامی که محدودۀ بار آنها افزایش یابد سرعت مبرد از حد مجاز تجاوز می نماید و افت فشار بیشتر می شود.
مبرد به صورت مایع از قسمت فوقانی وارد اواپراتور شده و به صورت بخار از قسمت تحتانی آن خارج می شود. چون حجم مبرد در ضمن تبخیر افزایش می یابد، با حرکت مبرد در طول مدار، سرعت و افت فشار در واحد طول افزایش می یابد و در انتهای لوله که مبرد به صورت صد در صد بخار است مقدار سرعت و افت فشار ماکزیمم می گردد.
با تقسیم لوله های قسمت تحتانی اواپراتور به دو مدار، می توان افت فشار اضافی در قسمت انتهایی اواپراتور را تا اندازه ای از بین برد. دراین صورت مبرد تا زمان رسیدن به ماکزیمم سرعت مجاز در یک مسیر واحد حرکت می نماید و سپس به دو مسیر موازی تقسیم می شود.
روشهای تغذیه مبرد
اواپراتورها از نظر تغذیه مبرد به دو نوع انبساط خشک و تر طبقه بندی می شوند. در روش انبساط خشک مقدار تغذیۀ مبرد به اواپراتور، به مقدار تبخیر آن در واحد زمان بستگی دارد. بنابراین مبرد در ورود به لولۀ مکش کمپرسور به صورت بخار خواهد بود. در این روش کنترل کنندۀ مبرد اغلب یک شیر انبساط ترموستاتیکی یا لوله موئین می باشد. برای اطمینان کامل از تبخیر مبرد در اواپراتور و جلوگیری از ورود مبرد مایع به لولۀ مکش و کمپرسور، مبرد در خروج از اواپراتور تقریباً 5 درجه سوپر هیت می شود. این امر عملاً 10 تا 20% سطح اواپراتور را به خود اختصاص می دهد.
قسمتی از مبرد مایع در اثر تقلیل فشار از فشار کندانسور به فشار اواپراتور، در کنترل کندۀ به مبرد تبخیر می شود و چون در تغذیۀ انبساط خشک، بخار مبرد تولید شده در کنترل کننده همراه بقیه مایع مبرد وارد اواپراتور می گردد در قسمت های انتهایی اواپراتورهای انبساط خشک، مبرد به صورت بخار است وموجب می شود اثر سرمایی این قسمت از اواپراتور در مقایسه با قسمت ورودی که در آن درصد بیشتری از مبرد به صورت مایع است کمتر باشد و به همین دلیل علیرغم اینکه در خروجی اواپراتور، دمای اشباع مبرد به دلیل افت فشار ناشی از جریان آن در اواپراتور، کمترین مقدار را دارد دمای سطح اواپراتور انبساط خشک، در خروجی آن زیادتر از ورودی می باشد.
در حالی که راندمان اواپراتورهای انبساط خشک ، قدری از اواپراتورهای تر کمتر می باشد به علت ساختمان ساده تر، هزینه اولیه کمتر، جمع و جور بودن ، نیاز به تغذیه مبرد کمتر و کمتر بودن مشکل برگشت روغن، از متداولترین انواع می باشد. چون موضوع برگشت روغن در اواپراتورهای تر هالید کربنی مشکلاتی را به همراه دارد، اواپراتورهای انبساط خشک به ویژه برای سیستم هایی که از مبردهای هالیدکربن استفاده می کنند مناسب می باشد. در اواپراتورهای کاملاً تر به دلیل پر بودن اواپراتور با مبرد مایع، حداکثر سطح خیس شدۀ لوله ها و ماکزیمم شدت انتقال حرارت به دست می آید. این اواپراتورها به یک آکومولاتور یا مخزن موج گیر مجهز می باشند که مبرد مایع در آن جمع می شود و در اثر ثقل، به لوله های اواپراتور جریان می یابد.
سطح مایع موجود در آکومولاتور به وسیلۀ شناور موجود در سمت کم فشار و یا پرفشار کنترل شده و بخار حاصل از تبخیر مبرد در لوله ها در قسمت فوقانی آکومولاتور از مبرد مایع جدا و به همراه گازهای حاصل از کاهش فشار مبرد از فشار کندانسور به فشار اواپراتور، که به وسیله شیر شناوری حاصل می شود مستقیماً وارد لوله مکش کمپرسور می گردد. گازهای تبخیر شده در آکومولاتور هرگز وارد قسمت انتقال حرارت اواپراتور نمی شوند.
|
شکل(6) آکومولاتور |
جریان مایع در اواپراتورهای با تغذیه کافی نیز مانند اواپراتورهای انبساط خشک با وسایلی نظیر شیر انبساط دستی یا روزنهایی که برای برقراری دبی لازم در زمان بارپیک تنظیم یا طراحی شده اند کنترل می شود.
استفاده از این اواپراتورها در سیستمهای چند اواپراتوری خیلی متداول و اقتصادی است. چون کنترل شدت جریان مبرد در یک اواپراتور مشکلاتی به همراه دارد، موازنۀ یک سیستم چند اواپراتوری قدی پیچیده خواهد بود ولی با افزایش شدت جریان مبرد، این مشکل تا حد زیادی رفع می شود. به همین دلیل شدت جریان مجدد مبرد در سیستمهای چند اواپراتوری، بیشتر از سیستم تک اواپراتوری خواهد بود. به منظور جلوگیری از تغذیۀ اضافی اواپراتورهای در حال کار، به هنگام خارج از مدار بودن یکی یا چندتا از اواپراتورها، شیر رها کنندۀ میان بری در کنار خروجی پمپ یا در دورترین نقطه از آن روی مدار مبرد قرار می دهند تا مایع اضافی را به مخزن کم فشار برگرداند.
اواپراتورهای سردکن مایع
اواپراتورهای سردکنندۀ مایع نیز همچون اواپراتورهای سرد کنندۀ هوا بر حسب وظیفه شان انواع و طرحهای مختلفی دارند و پنج نوع متداول آنها عبارتند از :
1- سردکن های دو لوله ای 2- سردکن های صفحه لوله ای 3- سرد کن های مخزنی
4- سردکن های پوسته و کویل 5- سردکن های پوسته و لوله
در تمام موارد عواملی که عملکرد اواپراتورهای سرد کنندۀ هوا و سطوح انتقال حرارت را تحت تأثیر قرار می دهند، در اواپراتورهای سردکنندۀ مایع نیز حاکم اند. انواع مختلف سردکننده های مایع، مبرد مورد استفاده در آنها، نوع کنترل کنندۀ مبرد و محدودۀ ظرفیت آنها در جدول ارائه شده است.
الف) سردکن های مایع دولوله ای
سردکن های دولوله ای از دو لولۀ تو در تو که مایع سرد شونده از لولۀ داخلی و مبرد در خلاف جهت آن از فضای مابین دو لوله جریان دارد تشکیل می شوند. نمونه ای از این سردکن ها که در آن لوله های خارجی به یک لوله قطور عمودی به نام هدر جوش داده شده است و لوله های داخلی با عبور از هدرها به وسیلۀ زانوهای برگشتی که قابل بازشدن هستند به یکدیگر متصل می شوند. مزایای چنین طرحی استحکام زیاد، حذف اتصالات مبرد و سهولت تمیز کردن لوله های داخلی می باشد.
سردکن های دولوله ای هم به صورت انبساط خشک و هم به صورت تر عمل می کنند. در هر دو حالت به دلیل مختلف الجهت بودن جریان دو سیال در لوله ها، ضریب انتقال حرارت نسبتاً زیاد است. چون این نوع سردکن ها نسبت به انواع دیگر فضای بیشتری را اشغال می کنند تنها در چند مورد بخصوص،از جمله صنایع نوشابه سازی و صنعت نفت، مورد استفاده قرار می گیرند.
ب) سرد کن های صفحه لوله ای (baudelot)
سردکن های صفحه لوله ای از تعدادی لولۀ افقی که زیر یکدیگر قرار گرفته و می توانند به صورت مدار یا مدارهای مبردی به یکدیگر متصل شوند تشکیل شده است. در این سردکن ها مبرد همواره در داخل لوله ها جریان دارد ومایع سرد شونده به وسیلۀ توزیع کننده ای که در بالای سردکن قرار گرفته است به صورت لایه ای نازک از روی سطح خارجی لوله ها جریان می یابد و در این پایین در تشتکی جمع می شود. چون در این سردکن ها مایع سرد شونده در فشار اتمسفریک می باشد، استفاده از آنها برای هوازنی سیال همراه با سرد کردن، ایده آل می باشد و از آنها برای سرد کردن نوشابه، شیر و آب کربن دار کارخانجات شیشه سازی استفاده می کنند. به این ترتیب می توان با بهره گیری از آنها بدون ترس از خطر خسارات ناشی از انجماد مایع سرد شونده، سیال را تا نزدیکی نقطه انجماد سرد نمود.
مزیت دیگر سردکن های صفحه لوله ای همانند سردکن های دو لوله ای امکان تقسیم مدار مبرد به چند قسمت می باشد که پیش سرد کردن مایع را به وسیلۀ آب سرد، قبل از ورود به قسمت انبساط مستقیم سردکننده ممکن می سازد.
ج) سردکن های مخزنی
سردکننده های مخزنی در اصل از یک کویل لوله ای که در مرکز یا کنار یک مخزن بزرگ فولادی نصب شده تشکیل می شود. هرچند کویل سردکن کاملاً در مایع غوطه ور می باشد لکن به وسیلۀ تیغه ای از کل مایع جدا می شود و پروانه ای متصل به یک موتور الکتریکی برای جریان دادن مایع سردشونده از روی کویل سردکن ، با سرعتی برابر با 5/0 تا 75/0متر بر ثانیه، مورد استفاده قرار می گیرد. به این ترتیب مایع از یک طرف وارد کویل شده وپس از سرد شدن از طرف دیگر آن خارج می شود.
اواپراتورهای مارپیچی و کویل نوع غوطه ور جزء سردکن هایی هستندکه بطور وسیعی در چیلرهای مخزنی مورد استفاده قرار می گیرند. هر دو کویل مذکور در سرد کن های مخزنی به صورت تر عمل می نمایند. اواپراتور نوع (ice-cel) نوع دیگری از سردکن های مخزنی می باشد. سردکن های مایع مخزنی بیشتر برای سردکردن مایعاتی که در آنها اصول بهداشتی عامل مهمی نیست از جمله در سردکردن آب، آب نمک و سایرمایعاتی که به عنوان مبرد ثانی به کار می روند مورد استفاده قرار می گیرند. این نوع از سردکن ها به دلیل ظرفیت خیلی زیادشان برای کاربردهایی که تغییرات بار آنها شدید می باشد مناسب هستند. در چنین مواردی برای به حداقل رساندن افزایش دمای مایع سرد شونده در طول زمان بارهای ماکزیمم از مخزن ذخیرۀ مایع نسبتاً بزرگ استفاده می کند.مزیت حاصل از پیش سرد کردن مایع در مواردی که مایع سرد شونده با دمای نسبتاً بالایی وارد سردکن می شود اغلب قابل ملاحظه است.
د) سردکن های پوسته و کویل
سردکن های پوسته و کویل معمولاً از یک یا چند کویل مارپیچ لوله ای که در داخل پوسته ای فولادی قرار می گیرند، تشکیل می شود. این نوع از سردکن ها معمولاً به صورت انبساط خشک عمل می نماید، مبرد در داخل کویل ها و مایع سردشونده در داخل پوسته جریان می یابد ولی گاهی از آنها به صورت تر نیز استفاده می کنند. در این صورت مبرد داخل پوسته و مایع سردشونده از داخل کویل جریان خواهد یافت. نوع انبساط خشک این سردکن ظرفیت حرارتی زیادی داشته و در کاربردهای کوچک با بارپیک زیاد و معمولاً برای سردکردن آب شرب و در محل هایی نظیر نانوائی ها که اصول بهداشتی مدنظر هستند، مورد استفاده قرار می گیرد.
|
شکل(8) نمای داخلی یک سردکن پوسته کویل |
|
شکل(7) یک سردکن پوسته لوله |
ه) سردکن های پوسته و لوله
|
شکل(9) سردکن های پوسته لوله |
در این نوع سردکن ها مایع سرد شونده معمولاً به وسیله پمپ گریز از مرکزی در داخل سردکن و لوله کشی متصل به آن، به چرخش در می آید.
قطرپوستۀ سردکن های پوسته و لوله از 150 میلی متر تا 5/1 متر، تعداد لوله های داخل پوسته از 50 عدد تا چندین هزار، قطر لوله ها از 16 میلی متر تا 50 میلی متر، و طول آنها از 5/1 متر تا 6 متر تغییر می کند . در سرد کن های آمونیاکی از لوله های فولادی و در سردکن هایی که با سایر مبردها کار می کنند برای دستیابی به ضریب انتقال حرارت بیشتر از لوله های مسی استفاده می شود. به دلیل کم بودن ضریب هدایت فیلم مبردهای هالوکربنی، در سردکن هایی که از این مبرد استفاده می کنند سطح لوله ها را در طرف مبرد، پره دار انتخاب می کنند. در سردکن های انبساط خشک داخل لوله ها را با پره های طولی و در سردکن های تر، خارج لوله ها را با پره های کوتاهی به عمق 5/1 میلی متر پره دار می کنند.
بطور کلی از سردکن های انبساط خشک در ظرفیت های کم و متوسط از kw 7 تا kw 1000 و از سردکن های تر از ظرفیت های 35kw به بالا استفاده می کنند.
سردکن های انبساط خشک
مزایای اصلی سردکن های انبساط خشک نسبت به سردکن های تر نیاز به شارژ مبرد کمتر و اطمینان از برگشت روغن به کمپرسور می باشند. ولی همانطوری که قبلاً اشاره شد خطرات احتمالی ناشی از انجماد مایع سرد شونده در داخل لوله به مراتب بیشتر از حالتی است که مایع سردشونده از خارج لوله جریان دارد. جزئیات ساختمانی چند نوع از سردکننده های انبساط خشک در اشکال نشان داده شده است.
برای اینکه سرعت سیال در محدوده ای قرار گیرد که بهترین نسبت انتقال حرارت و افت فشار به دست آید سرعت سیال جریانی از روی لوله ها را با تغییر طول وفاصله تیغه ها کنترل می نمایند. در صورتی که دبی و یا ویسکوزیته سیال زیاد باشد برای کاهش سرعت و به حداقل رساندن افت فشار در سردکن، از تیغه های کوتاه با فواصل زیاد و هنگامی که دبی و یا ویسکوزیته کم باشد، برای افزایش سرعت سیال و بهبود ضریب انتقال حرارت از تیغه های بلند با فواصل کم استفاده می کنند.
برای اینکه سرعت مبرد در داخل لوله ها در محدودۀ قابل قبولی نگهداشته شود، تعداد و طول لوله های مبرد لازم به رابطۀ بین دبی مایع سرد شونده و METD بستگی خواهد داشت.چون در کاربردهای مختلف این عوامل متفاوت هستند طرح بهینه مدار مبرد درکاربردهای مختلف تغییر خواهد کرد. به همین دلیل طول مدار مبرد در سردکن قابل تغییر است و می توان با تغییر دادن آرایش تیغه بندی صفحات انتهایی یا کله گی های مسیر مبرد پیچ شده به صفحه لوله های طرفین سرد کن، تعداد وطول مدارهای مبرد را تغییر داد.همچنین باتعویض سرهای مسیر مبرد می توان آرایش مبرد هر سردکن بخصوصی را تغییر داد.
سردکن های تر
|
شکل (2-10) نمونه ای از یک سرد کن تر |
بعضی از سردکن های تر نیز همچون سردکن های انبساط خشک با دسته لوله های قابل تعویض طراحی می شوند در حالیکه در بعضی دیگر صفحۀ لوله ها ثابت بوده به ته پوسته جوش می شوند. به این ترتیب مجموعۀ لوله ها قابل باز کردن نیست ولی باز هم با بازکردن صفحات انتهایی دسترسی به لوله ها برای تمیز کردن یا تعویض آنها میسر می گردد.
در بعضی از سردکن های تَر، به منظور فراهم نمودن فضای زیاد برای بخار و ایجاد سرعت نسبتاً کم در فضای خارج لوله ها، پوسته را کاملاً با لوله پر نمی کنند. این طرح احتمال ورود مبرد مایع به لولۀ مکش را مرتفع می سازد و برای سیستم هایی که افزایش ناگهانی و شدیدی در بار آنها به وجود می آید مناسب است.
درسردکن هایی که پوستۀ آنها با لوله پر می شود، برای جدا کردن مبرد مایع باقی مانده در بخار، قبل از ورود آن به لولۀ مکش بایستی از مخزن موج گیر یا آکومولاتور استفاده نمود. بعضی از سردکن های مایع تَر به مبدلهای حرارتی مکش- مایع مجهز هستند که ضمن جلوگیری از ورودمایع به لولۀ مکش،با مادون سردکردن مایع ورودی به سردکن، مقدار بخار ورودی به آن را کاهش و راندمان را افزایش می دهند.
سردکن مایع پوسته ولولۀ ایستاده به فضای کمتری نیاز دارد. این سردکن، مایع سردشونده از بالا وارد شده و در اثر ثقل در داخل لوله ها به طرف پایین جریان می یابد. مایع پس از سردشدن، در مخزن زیر سردکن جمع میشود و به وسیله پمپی در مدار به چرخش در می آید. مایع برگشتی در بالا به قسمت توزیع کننده وارد و مجدداً در لوله ها جریان می یابد .برای اینکه مایع به صورت لایه ای نسبتاً نازک در سطح داخلی لولوه جریان داشته باشد در بالای هریک از لوله ها از یک توزیع کنندۀ مخصوص که به مایع سردشونده حرکت چرخشی می دهد استفاده می کنند.
سردکن های مایع پاششی
سردکن های مایع پاششی از نظر ساختمان مشابه سردکن های تَر هستند ولی در آنها مبرد مایع به وسیلۀ افشانک های موجود در بالای لوله ها، به سطح خارجی آنها پاشیده می شود. مایع تبخیر نشده از روی لوله ها به تشتک موجود در زیر آنها می چکد و به وسیلۀ پمپی مجدداً به افشانک ها ارسال می شود. زیاد بودن میزان جریان مبرد موجب خیس ماندن سطح لوله ها شده و شدت انتقال حرارت را افزایش می دهد. از مزایای این نوع سردکننده ها زیاد بودن راندمان ، کم بودن مقدار مبرد لازم و از معایب آن ها بالا بودن هزینۀ نصب و نیاز به پمپ جریان دهنده مبرد می باشد.
روش انتخاب سردکن
هرچند روشهای انتخاب سردکن بسته به نوع و سازندۀ دستگاه تا حدودی متفاوت است لکن همگی به اصول انتقال حرارت و جریان سیال متکی می باشند. بیشتر تولید کنندگان به همراه مشخصات دستگاه های خود، نمونه ای از نحوه انتخاب آنهارا در کاتالوگ خود ارائه می کنند.
سیستم های انبساط مستقیم و غیر مستقیم
|
شکل(2-11) انبساط به صورت مسستقیم |
اغلب چرخش مبرد در محل هایی که نیاز به تبرید دارند مشکل و یا غیر اقتصادی می باشد.
در چنین فضاهایی از سیستم های تبرید غیرمستقیم استفاده می شود. در این سیستم ها آب یا آب نمک (یا بعضی مایعات مناسب دیگر) که مبرد ثانی نامیده می شوند در سردکن انبساط مستقیمی سرد شده و از طریق لوله کشی در اطراف محصول یا مخزن سردشونده به جریان در آمده و یا از کویل سرمایی سایر سطوح انتقال حرارت می گذرد. در هر حالت مبرد ثانی با جذب حرارت از فضا یا محصول سردشوند گرم و برای سردشدن و جریان مجدد در سیستم، به سردکن مایع بر می گردد.
در تأسیساتی که فاصلۀ فضا یا محصول سردشونده از تجهیزات تبرید زیاد باشد اولاً به دلیل زیاد بودن هزینه سیستم و نیاز به مبرد بیشتر و ثانیاً مشکل برگشت روغن در خطوط مبرد و به ویژه رایزرهای بلند وبروز افت فشار اضافی که ظرفیت و راندمان سیستم را کاهش می دهد، ایجاد خطوط انبساط مستقیم طویل عملاً ممکن نیست و ترجیحاً از سیستم های تبرید با انبساط غیر مستقیم استفاده می شود. بعلاوه چون احتمال نشت مبرد از آب یا آب نمک بیشتر است، در تأسیساتی که نشت مبرد و یا روغن از خطوط مبرد موجب آلوده شدن یا وارد آوردن خسارات دیگری به محصول می شود از سیستم های انبساط غیر مستقیم استفاده می شود.
سیستم های انبساط غیر مستقیم به ویژه در واحدهای بسته بندی گوشت و در سردخانه های بزرگی که در آنها از آمونیاک به عنوان مبرد استفاده می شود به کار می روند.
مبردهای ثانی
تعدادی از مبردهای ثانی رایج عبارتند از : آب ، آب نمک های کلرید کلسیم و کلرید سدیم، اتیلن گلیکول، پروپلین گلیکول، متانول (الکل متیلیک) و گلیسیرین.
در تمام سیستم ها تهویه مطبوع بزرگ و فرآیندهای تبرید صنعتی که درجۀ حرارت از نقطۀ انجماد آب بالاتر می ماند، به دلیل سیالیت ،گرمای ویژه و ضریب فیلم زیاد، ارزان بودن و خورندگی نسبتاً کم از آب بعنوان مبرد ثانی استفاده می کنند. در کاربردهای تهویۀ مطبوع آب سرد شده در کویل خنک کن هوا یا واحد اسپری، جریان می یابد و موجب سرد شدن و رطوبت زدایی هوا می شود. در واحدهای اسپری، آب پاشیده شده به وسیله افشانک ها در سینی یا لگنی واقع در زیر دستگاه جمع می شود و به سردکنندۀ مایع بر می گردد. چون هوای عبوری از دستگاه تا دمایی پایین تر از دمای نقطه شبنم خود سرد می شود مقداری از بخار آب موجود در آن تقطیر شده و در داخل تشتک می ریزد. در کویل های خنک کن یا واحدهای اسپری با تغییر دادن مقدار و دمای آب سرد، می توان میزان تبرید و رطوبت زدایی هوا را کنترل نمود.
تجهیزات جانبی اواپراتور:
تجهیزات جانبی اواپراتور عبارتند از :
1)اتصالات
2)المان های حساس به دما
3)کنترل های فشار
4)کنترل کننده ی جریان مبرد
اتصالات
در فصل گذشته در مورد اتصالات مورد استفاده در سیستم های دفع حرارت توضیحاتی داده شد.از آنجا که اتصالات بکار برده شده در اواپراتورها نیز همانند اتصالات استفاده شده در تجهیزات دفع حرارت می باشد، از توضیح مجدد آن صرف نظر می کنیم.
المان های حساس به دما:
معممولا" دو نوع المان برای حس کردن و بازتاب تغییرات دما به کنتاکت های الکتریکی یا سایر مکانیزم های عمل کننده در ترموستات ها به کار می رود.ترموستات ها طوری تنظیم می شوند که با رسیدن دمای هوا یا محصول به دمای ماکزیمم از پیش تعیین شده (دمای وصل)کمپرسور روشن و با کاهش دما به مینیمم(دمای قطع) کمپرسور خاموش گردد.اختلاف بین دماهای قطع و وصل دمای دیفرانسیلی نامیده می شود. میزان دمای دیفرانسیلی ترموستات به نوع کاربرد و محل نصب الملن حس کنندة ترموستات بستگی دارد. اگر این المان روی سطح یا داخل محصول قرار گرفته باشد و دمای محصول را مستقیما" کنترل نماید معمولا" دیفرانسیل کوچک است(یک یا دو درجة سانتیگراد)و چنانچه المان داخل فضای سرد قرار گرفته باشد و دمای هوا را کنترل نماید دیفرانسیل سه یا چهار درجه سانتیگراد خواهد بود. در اکثر موارد المان های حس کنندة حرارت به اواپراتور بسته شده و با کنترل درجه حرارت اواپراتور، دمای فضا یا محصول را به طور غیر مستقیم کنترل می نماید. در این صورت برای جلوگیری از کوتاه شدن سیکل کار تجهیزات، دیفرانسیل ترموستات را باید افزایش داد(حدود 8 تا 12 درجه سانتیگراد یا بیشتر)چنانچه ترموستات دمای فضا یا محصول را مستقیما" کنترل نماید دمای متوسط فضا یا محصول تقریبا میانگین درجات حرارت قطع و وصل شدن خواهد بودبنابر این برای اینکه دمای متوسط فضا ºc2 باشد می توان ترموستات را در درجات حرارت روشن شدن ºc5/3 و خاموش شدن ºc5/0 تنظیم نمود ولی چنانچه دمای فضا با کنترل درجه حرارت اواپراتور به طور غیر مستقیم کنترل شود، بایستی دمای خشک اواپراتور را نیز در تنظیم دمای خاموش شدن در نظر گرفت.
کنترل های فشار
کنترل کننده های فشار بر سه نوع می باشند که در فصل قبل نام برده شده و کنترل کننده های پر فشار توضیح داده شد. اما کنترل کننده های کم فشار نیز هم به عنوان ابزار اطمینان و هم کنترل کنندة دما مورد استفاده قرار می گیرند. هنگامی که این کنترل کننده ها به عنوان ابزار اطمینان به کار می روند، در صورت کاهش فشار سمت کم فشار سیستم، مدار را قطع نموده کمپرسور را متوقف می سازد و با برگشت فشار به حد طبیعی، آن را مجددا" روشن می کند. این کنترل کننده ها نیز بعضا همانند کنترل کننده های فشار بالا مجهز به قفلی می باشند که قبل از روشن کردن مجدد کمپرسور باید آن را ریست نمود.
کنترل کننده های جریان مبرد
کنترل کننده های جریان مبرد بر شش نوع می باشند:
1)شیر انبساط دستی 2)شیر انبساط اتوماتیک 3)شیر انبساط ترموستاتیک 4)لولة موئین 5)شیر شناور سمت کم فشار 6) شیر شناور سمت پر فشار
کنترل کننده های مبرد بدون توجه به نوعشان دو وظیفه انجام می دهند: 1)اجازة جریان مبرد مایع از لوله ی مایع به اواپراتور 2) ایجاد اختلاف فشار بین طرفین پرفشار و کم فشار سیستم برای اینکه مبرد بتوان تحت شرایطی که در فشار کم در اواپراتور تبخیر می شود در همان زمان در فشار زیاد در کندانسور نیز تقطیر شود.
مقایسة اواپراتورها
در اینجا بصورت اجمالی به مقایسه اواپراتور ها می پردازیم. بدین منظور برخی از مزایا و محدودیت های هریک از انواع آن را بصورت خلاصه بیان می کنیم تا تفاوتها و میزان کارایی نسبی هریک از انواع اواپراتور مشخص گردد:
اواپراتورهای ساده(لوله ای و صفحه ای):
مزایا: 1)متنوع بودن آنها از نظر شکل و طرح برای کاربردهای مختلف 2)برای سرد کردن مایعات نیز می توان از آنها استفاده کرد 3)سهولت تمیز کردن و برفک زدایی از آنها
محدودیت ها: 1)چون معمولا" در این نوع از اواپراتور (نوع بدون فن آن یا همان جابجایی آزاد) ضریب انتقال حرارت کم است، بنا بر این باید سطح انتقال حرارت در آنها بیشتر شده تا بتواند کارایی لازم را داشته باشد.
اواپراتورهای پره دار:
مزایت: 1)وجود پره باعث شده است تا این نوع اواپراتور قابلیت جذب حرارت بیشتر به ازای سطح انتقال حرارت کمتر(نسبت به نوع ساده آن) را میسر سازد و در نتیجه این امر صرفه جویی در اشغال فضا را به دنبال دارد2) افزایش نرخ تبادل حرارت، بدین صورت که چون نرخ انتقال حرارت بین سطح داخلی اواپراتور و مایع مبرد بیشتر از نرخ انتقال حرارت بین سطح خارجی اواپراتور و سیال سرد شونده است، سطح خارجی تعیین کننده ی سرعت تبادل حرارت در کل اواپراتور خواهد بود از این جهت با پره دار کردن سطوح می توان این سرعت را افزایش داد.
محدودیت ها: 1) عدم کارایی مناسب در دماهای پایین به دلیل سختی کار برفک زدایی در این نوع 2) برفک تأثیر زیادی بر ظرفیت این نوع اواپراتور نسبت به نوع سادة آن دارد 3) عدم جابجایی مناسب هوا در نوع بدون فن آن (جابجایی آزاد).
سرد کن های مایع:
در اینجا برای مقاسیة اواپراتورهای سرد کن مایع، تنها به گفتن مزیت های هر یک از انواع آن بسنده می کنیم.
سرکن های مایع دو لوله ای:
1) ضریب انتقال حرارت بالا به دلیل مختلف الجهت بودن جریان دو سیال در لوله ها 2) سهولت تمیز کردن لوله های داخلی
سرد کن های صفحه لوله:
1) قابل استفاده برای هوا زنی سیال همراه با سرد کردن به دلیل سرمایش در فشار اتمسفریک 2) امکان تقسیم مدار مبرد به چند قسمت و در نتیجه امکان پیش سرد کردن مایع سرد شونده قبل از ورود به قسمت انبساط مستقیم سرد کننده 3) اشغال فضای کمتر نسبت به سرد مایع دولوله ای
سرد کن های مخزنی:
1) ظرفیت بالا و در نتیجه مناسب برای کاربرد هایی که تغییر بار آنها زیاد است 2) اشغال فضای کمتر نسبت به نوع سرد مایع دولوله ای 3)مناسب برای مواردی که رعایت اصول بهداشتی اهمیت چندانی ندارد.
سرد کن های پوسته و کویل:
1) مناسب جهت استفاده از نوع انبساط خشک آن در ظرفیت های پایین با بار پیک زیاد 2) مناسب برای محل هایی که اصول بهداشتی اهمیت خاصی دارد؛ نظیر نانوایی ها، سرد کردن آب شرب و ...3) مناسب جهت استفاده از نوع تر آنها برای سرد کردن نوشابه و سایر نوشیدنی ها
سرد کن های پوسته و لوله:
1)راندمان نسبتا" بالا 2)سهولت نصب و بهره برداری آسان 3) نیاز به فضای کمتر
انتخاب اواپراتور
نحوة انتخاب اواپراتورها که عامل جذب حرارت در سرد کننده ها بوده و به منظور سرد کردن هوا در سردخانه ها نصب می گردند، در اینجا مورد بحث قرار میگیرند. نکاتی را که باید قبل از محاسبة اواپراتورها در نظر گرفت عبارتند از:
1) با توجه به اینکه اواپراتور در 24 ساعت معمولا" بین 14 الی 20 ساعت کار می کند، بایستی ظرفیت آن به حدی باشد که بتواند بار سرمایی 24 ساعت را تأمین نماید.
2) ظرفیت اواپراتورها به عوامل زیر بستگی دارد:
الف) درجه حرارت سردخانه ب) درجه حرارت مبرد ج) حجم داخلی سردخانه
3) درجه حرارت مبرد جریانی در اواپراتور معمولا ºF10 کمتر از حداقل درجه حرارت محیط اواپراتور انتخاب می شود. مثلا اگر درجه حرارت نهایی سرخانهºF30 باشد؛ درجه حرارت مبرد جریانیºF20 خواهد بود.
4)در صورتی که درجه حرارت نهایی سرد خانه کمتر از باشد؛ برفک زدن لوله های اواپراتور اجتناب ناپذیر بوده و باید با ایجاد یک سیستم برفک زدایی difrasting مشکل برفک را حل کرد.
5) ظرفیت اواپراتور ساخته شده معمولا از کاتالوگ مشخصات کارخانة سارنده به دست می آید و عوامل زیر روی ظرفیت آن اثر مستقیم دارد:
الف) طریقة جریان هوا روی اواپراتور ب) شرایط برفک زدن اواپراتور و طریقة دیفراست آن ج) رطوبت هوا
به منظور انتخاب اواپراتور مناسب از کاتالوگ کارخانه سازنده کافی است که بار سرمایی محاسبه شده اطاق به اضافه اختلاف درجه حرارت مبردو هوای اتاق(TD) را داشته باشیم که در نتیجه مدل و سایر مشخصات اواپراتور از قبیل مقدار هوادهی، سرعت هوا، قدرت الکترو فن و دور موتور و.... از کاتالوگ به دست می آید.
در زیر نمونه ای از یک کاتالوگ مربوط به مشخصات واحد سرد کننده نشان داده است:
|
جدول(2-1) یک نمونه کاتالوگ انتخاب اواپراتور |
مثال :
سردخانه ای به ابعاد داخلیm 6 x 11 x 3 دارای بار سرمایی محسبه شده ی kw7 استو در دمایºc18- نگهداری می شود. به ازای اختلاف دمای ºk8 جدول(2-2) مجموعه اواپراتورهای لازم(plate bank) را انتخاب کنید.
جواب:
بررسی ابعاد ( m6 x 11) اتاق نشان می دهد که 4 تا 6 اواپراتور ( دو یا سه مجموعه که در دو ردیف چیده می شود) پوشش خوبی برای سقف می باشد و توزیع مناسبی از هوا را فراهم می سازد. با مراجعه به جدول(2-2) مشاهده می شود که مجموعة اواپراتورها در طول های 3 و 4 متری موجود هستند. بنا بر این استفاده از سه مجموعه 3 متری یا دو مجموعه 4 متری در دو ردیف، در طرفین اواپراتورها فضای کار مناسبی نیز باقی خواهد ماند.
چون ظرفیت اواپراتورها بر اساس اختلاف دمای یک درجه کلوین داده شده است می توان ظرفیت هر یک از مجموعه ها را با تقسیم بر بار سرمایی کل بر تعداد آنها و اختلاف دمای طراحی ºk8 تعیین نمود.
= ظرفیت لازم هریک از مجموعه ها(kw)
مثال:
برای دبی هوای عبوری برابر با 2/0 متر مکعب بر ثانیه از روی کویلی، مساحت سطح کویل را طوری تعیین کنید که سرعت سطحی آن دو متر بر ثانیه باشد.
با توجه به معدله روبرو داریم: سطح کویل/مقدارهوا = (m/s) سرعت
m 1/0 = 2/2/0 = مساحت سطخ کویل