دسته های مرتبط

مبدل های صفحه ای برای چیلرهای تراکمی و سردخانه ها، قسمت اول

کاربردهای سیکل های تبرید و اصول اولیه

  1. دیاگرام فشار- آنتالپی

خصوصیات ترمودینامیکی یک مبرد را می توان در نمودار فشار–آنتالپی بیان کرد. نمودار لگاریتم فشار و آنتالپی و بسیاری از پارامترها در شکل 1 نشان داده شده است.

خط پررنگ بیان کننده مایع اشباع (saturated liquid) و دو خط باریک بیان کننده بخار اشباع (saturated vapor) است و به جای فشار می توانیم از دمای اشباع استفاده کنیم. این دو خط در نقطه بحرانی(critical point)  به همدیگر می رسند که با دایره ای کوچک نشان داده شده است. تفاوت در آنتالپی بین دو خط برای فشاری ثابت برابر گرمای نامحسوس یا نهان(latent heat)  است.

فضای سمت چپ خط سیاه بیان کننده مایع سابکول یا مادون سرد (sub cooled liquid) و فضای سمت راست خط دوبل بیان کننده سوپر هیت بخار (super-heated vapor) یا بخار مافوق گرم است. پس این دو مخلوطی از بخار و مایع اشباع (saturate) است.

*خطوط نشان دهنده محل وجود بخار، مایع و مخلوط بخار و مایع است.

2. اصول پایه ای سیکل

شکل 1 نشان دهنده سیکل پایه تبرید است که نمودار فشار-آنتالپی و تجهیزات سیکل تبرید نشان داده شده است. برای بررسی سیکل تبرید می توانیم از هر نقطه ای شروع کنیم اما بهترین نقطه مایع مبرد سابکول با دمای 35 درجه سانتی گراد و فشار 1533bar بوده و دمای اشباع با نقطه A در نمودار مشخص شده  که برابر 40 درجه سانتی گراد است.

در  A و B مایع در شیر انبساط منبسط می شود و فرآیند انبساط ایزوتروپیک یا آنزوپی ثابت (isenthalpic) است که در شکل 1 با خط عمودی نشان داده شده است.

زمانی که فشار شروع به کاهش می کند، در ابتدا اتفاقی نمی افتد. دما تقریبا ثابت است، مایع به خط اشباع می رسد و کاهش فشار به معنای کاهش دماست و مایع رو به اشباع شدن پیش می رود.

بنابراین مایع خنک شده و شروع به تبخیر شدن می کند و تبخیر باعث خنک شدن مایع باقی مانده می شود و هرچقدر فشار کاهش یابد، مایع بیشتری تبخیر خواهدشد.

در نقطه B مایع به حداکثر افت فشار خود می رسد که به این نقطه constant vapor fraction می گویند . در این مثال مبرد تا فشار 1.63bar و دمای 30 درجه سانتی گراد و 33 درصد تبخیر، منبسط می شود .

مسیر B-D مبرد در اواپراتور تبخیر می شود بنابراین تاثیر خنک کنندگی در اواپراتور می گذارد. مبرد وقتی به نقطه C می رسد، 100 درصد بخار اشباع بوده اما معمولا با ترک نقطه D کمی سوپر هیت است.

در نقطه D، بخار اواپراتور را در فشار 1.63bar و دمای 30- درجه سانتی گراد و با دمایی تا 25- درجه ترک می کند.

در مسیر D-E، بخار تا فشار کندانس توسط کمپرسور فشرده (compressed) می شود و فشار بخار به 15.3bar می رسد. با کمپرس کردن همانطوری که در نمودار می بینید، دما افزایش می یابد که متناظر با افزایش فشار است و مبرد نه تنها در فاز بخار باقی می ماند بلکه سوپر هیت تر می شود.

فرآیند کمپرس کردن ایده آل نیست و اصطلاحات بین قطعات متحرک وجود دارد و این به این معنی است که حدود 25 درصد افزایش دما ناشی از کمپرسور است و بخار مبرد در حداکثر فشار به نقطه E می رسد که براساس راندمان کمپرسور رابطه زیر برقرار است.

فرمول دمای خروجی کمپرسور 

HE – HD = (HE` – HD) / h

با دانستن h (از سازنده کمپرسور) ، HE & HD را می توان از دیاگرام بدست آورد، HE را محاسبه کرده و با فشار نهایی، دمای خروجی را پیدا کرد.

مسیر E-F بخار سوپرهیت ترک شده از کمپرسور با دمای بالاست. این بخار حاوی انرژی بالایی است که هدر می رود. بنابراین بخار را می توان در مبدل های مخصوص دی سوپرهیت (desuper heat) کرد و از بخار داغ سوپر هیت برای مثال برای تولید آبگرم مصرفی یا پیش گرم کن آب مصرفی استفاده کرد.

در مسیر F-A بخار وارد کندانسور شده و در سمت راست نقطه F سوپرهیت و در سمت چپ آن اشباع می شود. در خروجی کندانسور و ورودی اکسپشن ولو در نقطه A، مبرد مایع سابکول است.

شکل 1. اصول اولیه سیکل تبرید

کار یک سیکل تبرید زدودن گرما از سیال و هوای پروسه و انتقال این گرما به هوای آزاد است.

شکل بالا شماتیکی از یک سیکل تبرید بوده که از اواپراتور، کندانسور، کمپرسور، شیر انبساط و لوله های متصل کننده تشکیل شده است. این تجهیزات حداقل تجهیزات مورد نیاز برای یک چیلر تراکمی یا سردخانه (سیکل تبرید) است.

فشارها را می توانید در تصویر ببینید. در سمت چپ خط مایع، مایع وجود داشته و در سمت راست خط بخار، بخار وجود دارد و بین دوخط، فازی است که هم بخار و هم مایع در آن وجود دارد. خطوط در نقطه بحرانی به همدیگر می رسند.

از آنجایی که فرآیند کمپرس کردن (D-E) ایده آل نیست و انرژی اصطکاکی اجتناب ناپذیر بوده پس خط واقعی مسیر کمپرس کردن (D-E) است.

اینترکولر و سابکولر

دسترسی به آب خوب معمولا گران است که به عنوان آب جبرانی (make up) نامیده می شود. آب جبرانی معمولا سردتر از آب برج خنک کننده بوده و در صورتیکه دمای آب پائین باشد می توان گفت که هدر رفتن دما خواهدبود.

سابکولر و اینترکولر چیلر تراکمی و سردخانه دو مرحله ای

دو امکان در شکل 2 نشان داده شده است. برای مقایسه این سیستم با سیکل تبرید، دمای کندانس و اواپراتورها مشابه یکدیگر هستند.

این سیستم از یک اواپراتور مشابه یکدیگر تشکیل شده است.

این سیستم از یک اواپراتور DX استفاده می کند اما می توان از یک اواپراتور ترموسیفون هم استفاده کرد. ترمودینامیک مشابه همان چیزی بوده که انتظار داریم و در شکل نشان داده شده است. برای کارکرد درست شیر انبساط، فشار LR باید کنترل شود.

توجه کنید که در مواردی که از ترموسیفون استفاده می شود باید از سیستم ریکاوری روغن نیز استفاده شود که در قسمت 8 روغن ها و مبردها توضیح داده شده است.

این سیکل به یک کندانسور سابکول کننده (سابکولرsub cooler) و یک دیسوپرهیت کننده بخار میانی مجهز شده که با آب سرد کار می کند.

تاثیر این سیستم، کاهش دما تا حدود 86 درجه سانتی گراد بوده که زیر دمای خطر شکستن ساختار روغن است، اگرچه کاهش ظرفیت و کاهش دما بوجود می آید.

استفاده از آب نرم باعث افزایش هزینه می شود و آب جبرانی برج خنک کننده سردتر از آب در گردش برج خنک کننده است و می توان از این آب برای خنک کاری قسمت هایی دیگر استفاده کرد.

  1. امکان استفاده از این آب در شکل 2 نشان داده شده است. برای مقایسه این سیستم با سیکل تبرید پایه می توان دماهای اواپراتور و کندانس را بررسی کرد.  

بنابراین فاکتور خنک کنندگی در حدود 3/1 افزایش می یابد و از 1.81 به 2.40 می رسد که 3 تاثیر را در پی دارد:

  • دمای پائین تری به شیر انبساط وارد شده که به این معناست که مبرد کمتری برای رسیدن به دمای تبخیر 30- درجه تبخیر می شود.
  • متعاقبا، مبرد مایع بیشتری در اواپراتور امکان پذیر خواهد شد و ظرفیت آن افزایش می یابد. افزایش راندمان کمپرسورها به این معناست که قدرت کمتر کمپرسور نیاز خواهد بود.
  • بخار خنک تر در مرجله دوم باعث کاهش بار کمپرسور می شود.

در یک مثال برای سیرکوله کردن 1000kg/hr مبرد R22، ظرفیت خنک کنندگی از 42.54kw به  48.53 افزایش یافته و مجموع قدرت نیز از 23.52kw به 20.2kw کاهش می یابد.

این تاثیرات ترمودینامیکی همچنین می تواند برای موارد زیر استفاده شود :

  • ظرفیت اواپراتور اما بار کمتر کمپرسور
  • بار کمپرسور و افزایش ظرفیت خنک کنندگی

عملکرد واقعی هردو سیکل پایه و هر سیکل بهبود داده شده ای وابسته به ظرفیت کل مورد تقاضا است، راندمان کمپرسورها برای کارکرد شرایط واقعی، شیب کندانسورها و اواپراتورها و نوع آب و هوای مورد تهویه و…

شکل 2. اکونومایزر گاز فلش سردخانه

تجهیزات (اجزا)

پروسه اکسپشن & تجهیزات

در تمام سیکل های تبرید، مرحله ای وجود دارد که مایع مبرد از فشار کندانس به فشار اواپراتور منبسط می شود (از نقطه A به B) مبرد تبخیر شده و باعث کاهش دما می شود .

تجهیزات منبسط کردن می توانند هر نوعی باشند که باعث افت فشار سیال بین کندانس و اواپراتور شده و در مقابل جریان سیال مقاومت ایجاد کند.

تئوری دینامیک سیالات به ما یاد می دهد که افت فشار افزایش می یابد در صورتیکه:      

طول جریان، ناصافی سطح، تغییر جهت و شتاب دادن/ گرفتن افزایش و قطر هیدرولیک و سطح مقطع کاهش یابد.

به صورت تئوری تمام این پارامترها را می توان برای کنترل افت فشار استفاده کرد اما در عمل امکان پذیر نیست که از ناصافی سطح استفاده کرد. به صورت مشابه تغییر جهت جریان نیز امکان پذیر نیست.

3 روش برای کنترل افت فشار وجود دارد:

  • شیر: چندین طراحی برای این روش وجود دارد اما پارامتر اصلی تغییر سطح مقطع و بنابراین سرعت است. متعاقبا قطر هیدرولیک نیز تغییر می کند، جهت جریان نیز کمی تغییر می کند و شتاب جریان نیز کاهش می یابد.
  • اریفیس: مشابه شیر است اما ثابت
  • لوله مویی: یک لوله باریک و بلند است که حلقه شده تا جای کمتری بگیرد. تمام پارامترهای بالا مهم هستند و باید با سیستم بالانس شوند.

یک کندانسور هوا خنک برای دی سوپرهیت کردن و کندانس مبرد استفاده می شود. مبرد در حالت سابکول و با دمای 35 درجه سانتی گراد کندانسور را ترک می کند و تا دمای 18 درجه با آب در BPHE (مبدل صفحه ای) سابکول می شود.

بهبود بیشتر را می توان با استفاده از کمپرسور دو مرحله و یا با دو کمپرسور سری تامین کرد.

در مرحله اول بخار مبرد در دمای 35 درجه کمپرسور را ترک می کند و در BPHE تا حدود 18 درجه خنک شده که در اینجا با آب انجام می شود. دانسیته بالاتر مبرد باعث افزایش مبرد در مرحله دوم شده و در نتیجه ظرفیت افزایش می یابد و دانسیته بخار بالاتر باعث کاهش حجم مبرد در مرحله دوم می شود از این رو به کمپرسور کوچکتری نیاز است.

بعد از شیر انبساط، یک حالت دوفازی مخلوط مایع بخار وجود دارد. قسمت مایع در اواپراتور تبخیر می شود و تولید برودت می کند. دو روش برای این کار وجود دارد :

  • اواپراتور انبساط مستقیم (direct expansion evaporator): تمام مخلوط وارد اواپراتور می شود، مایع ورودی تبخیر شده و بخار خالص اواپراتور را ترک می کند. برای اطمینان از عدم برگشت مایع مبرد به کمپرسور باید مبرد کاملا سوپرهیت باشد.

شیر انبساط الکترونیک امروزه خیلی معمول شده است چراکه امتیازات، راحتی کنترل پارامترها و ریموت کنترل بودن، استفاده از این تجهیزات را در سردخانه ها و چیلرهای تراکمی افزایش داده است.

  • جریان فلودد: بخار و مایع جدا شده، مایع پائین می آید ( با جاذبه) و بعضی اوقات با نیروی گریز از مرکز، مایع ورودی به اواپراتور تبخیر شده و بخار و مایع مخلوط وارد جدا کننده شده که مایع و بخار از یکدیگر جدا می شوند.

امکان دارد سیرکوله کردن به صورت طبیعی صورت گیرد ترموسیفون– یا بوسیله یک پمپ –سیر کوله کردن اجباری.

بخار خروجی از اواپراتور خشک و سوپرهیت نیست. بنابراین امکان کنترل شیر از طریق سوپرهیت وجود ندارد. در عوض اکسپنشن از طریق لول کنترل در سپراتور کنترل می شود. اگر لول (سطح) مبرد افزایش یابد، شیر بسته می شود و بلعکس. شکل 02 را نگاه کنید.

کمپرسور

بخار خروجی از اواپراتور از فشار تبخیر تا فشار کندانس فشرده می شود. قسمت مکانیکی کمپرسور پیچیده اما روش کار ساده است و در صورتی که مایع مبرد وارد کمپرسور شود باعث آسیب به کمپرسور خواهد شد.

انواع مختلف کمپرسور دربرابر ورود مایع مبرد به کمپرسور، عکس العمل های متفاوتی دارند، بیشترین حساسیت در کمپرسورهای سیلندر پیستونی و اسکرال است. کمترین حساسیت به برگشت مایع در کمپرسورهای اسکرو است زیرا میزان روغن در این کمپرسورها زیاد است.

اواپراتورها، کندانسورها، مبدل ها

در این متن درباره مبدل های صفحه ای و بویژه مبدل های صفحه ای لحیمی بحث شده است که یک سیال و مبرد دوفازی در یک جهت حرکت کرده و مبرد گرم شده و سیال خنک می شود.

3 نوع مبدل صفحه ای در تبرید استفاده می شود با عناوین لحیمی، جوشی و پیچی.

تفاوت این مبدل ها در خواص خوردگی مواد، تفاوت کیفیت استیل، تیتانیوم و لاستیک برای SWPHE  است. استینلس استیل یا تیتانیوم برای AWPHE و استینلس استیل و مس یا نیکل برای BPHE استفاده می شود. هرچند قسمت مایع یک مبدل SWPHE را می توان برای تمیز کردن باز کرد که برای BPHE و AWPHE امکانپذیر نیست.

سیکل اکونومایزر فلش

در سیکل پایه، مبرد می تواند به دو قسمت پایه تقسیم شود:

  1. یکی شامل منبسط شدن و تبخیر شدن از فشار کندانس به فشار اواپراتور و از دمای 40 درجه تا 30 درجه.
  2. قسمت دیگر مایع شدن و سرد شدن تا 35 درجه تا 30- درجه در قسمت اواپراتور.

براساس ترمودینامیک این انرژی هدر رفته است که صرف خنک شدن دمای قسمت دما بالا با بخار دما پائین است که این بخار باید از دمای پائین 35- درجه تا دمای بالای 40 درجه خنک شود. البته روش گاز فلش وجود دارد که می توانید در تصویر ببینید که با استفاده از این روش دمای خط مایع پائین می آید.

در کنار مبرد در دمای 35- درجه که باید تا دمای 40 درجه فشرده شود، مبرد دیگری با دمای 0 درجه به 40 درجه اضافه می شود تا انرژی ذخیره شود. فاکتور خنک کنندگی افزایش می یابد و دمای دیسچارج کمپرسور مرحله دوم نیز کاهش می یابد. 

بعضی اوقات بخارِ تر از اکونومایزر (شکل3) وارد مرحله میانی بین دو کمپرسورها شده و با مخلوط شدن با گاز دیسچارج مرحله اول کمپرس مخلوط می شود.

شکل 3: اکونومایزر گاز فلش سیکل تبرید

در اکونومایزر مخلوط بخار و مایع  از یکدیگر جدا می شوند. سپس بخار خروجی از اکونومایزر با بخار دیسچارج مرحله اول کمپرس مخلوط می شود.

تفاوت اصلی سیکل اکونومایزر مبدلی (شکل 4) با این روش، هزینه پائین تر جداکننده و خنک کردن مایع است.

با استفاده از اکونومایزر مبدلی می توان سیستم فشرده تری داشت که دارای راندمان بیشتری است. شکل 4

در بررسی ترمودینامیکی، هر دو روش با اصول یکسان کار می کنند.

سیکل اکونومایزر اواپراتوری

شکل 4 را ببینید.

توضیح ظرفیت و ضریب عملکرد

زمانیکه ظرفیت و راندمان را تعریف می کنیم، مهم است که تفاوت راندمان سیکل ایده آل و یک سیکل واقعی با افت فشارهای مختلف، تلفات انرژی و… را بدانیم.

به صورت طبیعی قدرت مورد تقاضای پمپ ها برای مثال گلیکول و برج خنک کننده در این محاسبات نیامده است. هرچند مجموع انرژی داخلی صرف شده (در کندانسور/ اواپراتور و لوله کشی) باید شامل شود. زمانی که راندمان ها را مقایسه کنید، مهم است بدانیم سیستم تحت چه شرایطی کار می کند. برای مثال چیلر تراکمی که در هوای آزاد خلیج فارس بدون محافظت در برابر نور خورشید نصب شده باشد با چیلری که در ژاپن با محافظت نصب شده باشد، حتی در زمانی که دماهای چیلر و برج خنک کننده یکسان باشند، نتایج متفاوتی خواهند داد.

ظرفیت (گرمایی ) تبرید: دفع گرما برای مثال محلول گلیکول

تاثیر (گرمایی) تبرید: انتقال گرما به مبرد یا از مبرد. اختلاف بالا می تواند افت های محیطی، اضافه شدن گرما ناشی از تجهیزات اضافی و .. باشد.

ضریب عملکرد(cop). این تعریف را می توان به تعاریف زیر تقسیم کرد:

Cop، نیمه ایده آل: تاثیر تبرید اواپراتور یا تاثیر گرمای کندانسور تقسیم بر قدرت کمپرسور (در کمپرسورهای هرمتیک گاهی الکتریسیته ورودی به موتور) برای شرایط ایده آل است. شرایط داده شده شامل فشارهای ساکشن، دیسچارج، سوپرهیت شدن، سابکول شدن، راندمان کمپرسور و نوع سیکل است.

Cop های ایده آل توسط طراحان برای طرح های جدید تبرید: تاثیر عملکرد با اضافه کردن سابکولرها و اکونومایزر و … به کار می رود. به این ترتیب می توانیم ببینیم که اضافه کردن سابکولر کندانس چه تاثیری دارد.

Cop دستگاه: تاثیر گرمایش یا سرمایش دستگاه تقسیم بر مجموع انرژی ورودی به دستگاه برای شرایط ویژه است.

 راندمان کمپرس کردن: کار ایده آل آدیاباتیک (همانطور که در نمودار می بینید) کمپرس کردن یک حجم از بخار به کار واقعی پیستون یا روتورهای کمپرسور است.

راندمان مکانیکی: برابر است با نسبت کاری که بالا تعریف شد به کار واقعی ورودی شفت (میل لنگ).

بهبود سیکل ها و استفاده از PHE

دمای خروجی سیکل پایه بالا، بیشتر از 115 درجه سانتی گراد است. این دما برای بازیافت انرژی گرمایی، ایده آل است که در این دما روغن شروع به شکستن ساختار می کند. فاکتور سرمایش – نسبت ظرفیت اواپراتور به ظرفیت کندانسور و همچنین فاکتور گرمایش– نسبت ظرفیت کندانسور به ظرفیت کمپرسور– همچنین پائین است.

چیز دیگری را که باید در نظر گرفت، جریان روغن در سیستم است. روغن، کمپرسور را با بخار دیسچارج ترک می کند، خنک شده و به کمپرسور باز می گردد.

سومین چیزی را که باید در نظر گرفت، محافظت از کمپرسور است. کمپرسور باید تحت دمای مشخص سوپرهیت ساکشن و دمای سوپرهیت دیسچارج نه چندان زیاد کار کند.

سیکل پایه می تواند به چندین روش بهبود داده شود. می توانیم در تصاویر ببینیم این کار با اضافه کردن سابکولر کندانس و دی هیت کننده کندانس انجام شده است.

مواردی را که می توان مبدل های BPHE را استفاده کرد، عبارتند از:

  • اواپراتورها، انبساط مستقیم یا فلودد
  • اواپراتورهای میانی که برای خنک کردن آب نمک و سپس خنک کردن هوا در یک یونیک به کار می رود.
  • کندانسورها
  • کندانسورهای میانی که با آب در گردش خنک می شود و نقش خنک کننده خط مایع را دارد.
  • خنک کننده های روغن & اواپراتورها
  • دی سوپرهیت کننده ها & سابکول کننده ها

شکل 04. سیکل اواپراتور اکونومایزر:

یک قسمت از مبرد کندانس شده برای خنک کردن مبرد در اکونومایزر استفاده می شود. مبرد تبخیر شده در اکونومایزر، اکونومایزر را در حالت تَر ترک می کند و زمانی که با مبرد کمپرس شده در مرحله اول مخلوط می شود، دمای دیسچارج کمپرسور اول را کاهش می دهد. نتیجه کاهش دمای دیسچارج مرحله دوم و در نتیجه بهبود فاکتور خنک کنندگی است.

با این روش پروسه ترمودینامیکی و راندمان کمپرسور بهبود داده می شود. این روش مشابه خنک کردن آب در مرحله میانی است که قبلا توضیح داده شد با این تفاوت که نیازی به یک منبع خارجی ندارد.

سیکل سابکول کننده/ سوپرهیت کننده

زمانی که مبرد بعد از اواپراتور سوپرهیت است چه اتفاقی می افتد و دمای ساکشن افزایش می یابد؟

  • دانسیته بخار کاهش می یابد و میزان مبرد ورودی به کمپرسور کاهش می یابد و ظرفیت کاهش می یابد.
  • برای یک مبرد با گرمای نهان بالا و گرمای ویژه پائین، افزایش سوپرهیت نمی تواند نقص ظرفیت را جبران کند و در نتیجه جریان مبرد کاهش می یابد.

در دماهای حدود صفر درجه سانتی گراد،

  • در آمونیاک ظرفیت افت می کند.
  • در R22 ظرفیت ثابت می ماند.
  • پروپان، پروپن، بوتان، R134a،R-410a، R-407c، بهبود مشابهی می یابند.
  • R-404a و R-507a کمی بهبود می یابند.

در مقابل سوپرهیت شدن بخار در اواپراتور، سوپرهیت بخار در مبدل جداکننده سابکول کننده خط کندانس نیز بوجود می آید. خط کندانس خنک شده سپس در اکسپشن ولو به میزان مشابه قبلی منبسط نمی شود. هر دو روش از نظر ترمودینامیکی برابر هستند اما تفاوت های مهمی دارند:

  • اواپراتورها اکنون با دمای سوپرهیت 5K  تا 10k کار می کند (سوپرهیت کاهش می یابد).
  • یک مبدل صفحه ای اضافه نیاز است. افت فشار در این مبدل می تواند تاثیرات مثبت سوپرهیت شدن/ سابکول شدن را مانع شود.
  • اواپراتور با بخار وروردی کمتر به اکسپشن ولو کار می کند و حجم جریان کاهش می یابد که می تواند باعث کاهش فاکتور K شود.
  • کنترل اواپراتور با سوپرهیت بعد از مبدل نیز امکان پذیر است. اواپراتور به این روش می تواند با سوپرهیت خیلی کمتر یا حتی بدون خطر یا ضربه مایع کار کند و مقدار  K و MTD افزایش یابد. این کار را باید با شیر انبساط الکترونیک انجام داد هرچند شیرهای طبیعی TEV در این کاربرد ناپایدار هستند.

برای هر دو روش می توان گفت:

  • جریان مبرد در گردش کاهش می یابد. این موضوع در مواردی که طول لوله کشی مبرد طولانی است، مهم خواهدبود.
  • کمپرسور در دمای خیلی بالاتری نسبت به اواپراتور کار می کند و این اتفاق باعث می شود ریسک روغن مناسب برای کمپرسور مرحله اول بالا رود و روغن چسبناک شده و قدرت روغنکاری خود را از دست دهد زیرا شرایط کارکرد در دماهای پائین است.

دمای دیسچارج کمپرسور افزایش می یابد. این قضیه می تواند امتیازی در سیستم های هیت پمپ (پمپ گرمائی) باشد که آب را از طریق دی سوپرهیتر گاز دیسچارج گرم می کنند (شکل 05). اما این کار می تواند باعث افزایش دمای ناخواسته شود.

مثال: یک کمپرسور با حجم ساکشن 1 m/s، پروپان اشباع 5/3 درجه، سوپرهیت 5K را کمپرس می کند.

دمای کندانس 43.5 درجه و دمای خط مایع 40.5 است. دانسیته بخار 13.291 m3 است. اختلاف آنتالپی بین ورودی اواپراتور و خروجی 283.08kg بوده و ظرفیت داده شده 13.291*283.08=3762.4kw است.

مایع کندانس با اواپراتور تغییر کند و بخار را تا 23.5 درجه سوپرهیت کند. دانسیته بخار تا 12.322kg/m3 افزایش می یابد. جریان مبرد تا 12.322/13.291=92.7%  نسبت به قبل کاهش می یابد. مبرد 15K بیشتر گرم می شود که به معنای افزایش اختلاف آنتالپی با 308.33kj/kg است. در مقابل کاهش جریان بخار، ظرفیت از 3762.4 تا 12.322*308.33=3799.2 kw افزایش می یابد.

شکل05. سیکل سابکولر/ سوپرهیتر

  • یک روش موثر در بهبود یک سیستم قدیمی، نصب یک سابکول کننده کندانس است. در این روش ظرفیت تا حدود 20% می تواند بهبود یابد و فرض کنید که خنک کننده از منبع خارجی مانند آب جبرانی برج خنک کننده تامین می شود.
  • در  شکل بالا، بخار اواپراتور را ترک می کند و سپس سوپرهیت می شود و عمل سابکول کردن را انجام می دهد. وابسته به نوع مبرد این عمل می تواند باعث افزایش یا کاهش ظرفیت شود.
  • مقدار زیاد سوپرهیت کردن می تواند باعث افزایش دمای دیسچارج شود و دمای دیسچارج را می توان با یک مبدل آب خنک کننده یا تزریق مایع انجام داد.
  • یک سیستم سابکولر/ سوپرهیتر تمایل به هانتینگ (نوسانی عمل کردن) دارد. زمانی که ظرفیت اواپراتور افت کند، جریان بخار نیز افت می کند. دمای کندانس شده برای زمانی ثابت باقی می ماند و سابکولر/ سوپرهیتر باعث افزایش سوپرهیت می شوند، به ویژه زمانی که TXV بوسیله سوپرهیت بعد از سابکولر/ سوپرهیتر کنترل شود. جدا از هر کاری، استفاده از شیر انبساط الکترونیک باید در اولویت قرار گیرد.

 سیکل کَسکیت یا آبشاری (cascade)  

سیکل های تبرید چند مرحله می تواند بر روی نمودار ترمودینامیک دارای مزیت ها و معایبی باشند:

  • در دماهای بالا، فشار مبرد می تواند خیلی بالا باشد که ضرورتا نیاز به تجهیزات گرانی دارد.
  • در دماهای پائین، فشار می تواند خیلی پائین باشد، امکان دارد وکیوم بوده و یک نشتی کوچک می تواند باعث نشت هوا به سیستم شود و راندمان کندانسور کاهش یابد. حجم بخار زیاد خواهد بود و مجدد نیاز به تجهیزات گران قیمت دارد.
  • روغن تمایل دارد بین دو مرحله به ویژه در سیستم هایی که روغن در مبرد در دماهای بالاست، جمع شود. این پدیده باعث سختی روغنکاری کمپرسور می شود یا ممکن است نیاز به سیستم های با جزئیات و گران توزیع روغن داشته باشد.

سیکل کَسکیت با ایزوله کردن دو مرحله در دو مدار جداگانه این مشکل را حل کرده است. یک مرحله HT و دیگری LT است. استفاده از مبدل BPHE برای بدست آوردن دماهای نزدیک، انتخاب خوبی است.

نیازی نیست مبرد های مورد استفاده در دو مرحله یکسان باشند اما می توانند بر اساس هر مرحله و متناسب با آن انتخاب شوند.

راندمان سیستم با کاهش اختلاف دما بین حد واسط کندانسور/ اواپراتور افزایش می یابد و مبدل  BPHE گزینه خوبی است.

در شکل 06 سیکل در دو مرحله انجام می شود اما لزوما یکسان نیستند. مرحله HT معمولا دارای ظرفیت بالاتر و خنک کنندگی بیشتر است.

یک مشکل در کندانسور/ اواپراتور وجود دارد. اختلاف دمای بین دو مرحله می تواند خیلی بالا باشد. اگر در زمان راه اندازی به سرعت تغییرات بروز کند، می تواند باعث تنش های دمایی گردد و می تواند باعث پاره شدن لحیم کاری بین صفحات مبدل گردد و یا مشکل مشابه در مبدل های پوسته لوله بروز کند.

شکل 06. سیکل تبرید کسکیت (آبشاری )

کندانسور/ اواپراتور قسمت بحرانی سیستم کسکیت است. اگر ظرفیت سیکل LP بزرگتر از نیاز واقعی در نظر گرفته شود. مبرد سرد وارد  کندانسور گرم شده و در نتیجه می تواند باعث خستگی حرارتی شود. تمام جوش ها و لحیم ها(shell & tube OR PHE)  مستعد آسیب هستند.

همین موضوع در مورد خنک کننده روغن نیز صادق است و مبرد سرد ناگهانی نباید وارد مبدل شود.

 سیستم های معکوس شونده

کاربردها

در این سیستم ها جهت حرکت مبرد از کمپرسور معکوس می شود که همیشه در یک جهت کار می کنند. یک شیر ویژه 4 راهه برای معکوس کردن جریان از کمپرسور به دیگر اجزا به کار می رود.

شکل7 یک شیر 4 راهه است که اصول این سیستم را نشان می دهد. کندانسور تبدیل به اواپراتور و اواپراتور تبدیل به کندانسور می شود.

PHE و TEVها زمانی که در این سیستم نصب می شوند نیاز به در نظر گرفتن بعضی نکات دارند به ویژه اگر یکی از اجزا، مبدل حرارتی هوا به مایع باشد. تنها سیستم هایی با یک PHE دراینجا در نظر گرفته شده اند.

سردخانه ها

کندانسور BPHE و اواپراتور UC با دمای تبخیر کمتر از صفر درجه سانتی گراد است. در این سیستم مدام دیفراست در توابع زمانی انجام می شود.

به سادگی فن ها روشن، کمپرسور خاموش و هیتر برقی یا گاز داغ دیسچارج از کمپرسور به UC تزریق شده و عمل دیفراست انجام می شود.

معکوس کردن جریان برای دیفراست خیلی موثرتر است و زمانی که UC  به عنوان کندانسور در حال کار است، به سرعت یخ را از روی فین ها آب می کند.

شکل 7

شکل 8

شکل 9 

پمپ های گرمایی (هیت پمپ heat pump) در هیت پمپ ها، هوا در قسمت خارجی به عنوان منبع گرما، هوا مبرد را در کویل خارجی تبخیر می کند (که اکنون اواپراتور است) و اواپراتور که اکنون کندانسور است، آب گرم ساختمان را تامین می کند (شکل 7). در زمستان زمانی که هوای بیرون افت می کند، دمای تبخیر می تواند زیر صفر درجه باشد و حالت یخ زدگی بروز کند و همانطور که در بالا ذکر شد برای دیفراست کویل جریان گاز برعکس می شود.

سیستم های خنک شونده با آب دریا

در شکل 8 سیستمی نشان داده شده است که کندانسور آب خنک با آب دریا در یک مبدل PHE خنک می شود.

در شکل 9، کندانسورPHE توسط آب دریا خنک می شود و آب سرد شده سیستم برای چیلرهای نصب شده در طبقات فرستاده می شود.

در این قسمت در مورد امتیازات و معایب سیستم غیرمستقیم SW و سیستم مستقیم SW صحبت می کنیم.

همچنین توضیح کوتاهی در مورد تجهیزات و کاربرد های آب دریا و آب شور یا آب رودخانه توضیحاتی می دهیم. واژه (SEA WATER) SW در این متن به معنای تمام آبها است. دو نوع سیستم در این روش را نیز بررسی خواهیم کرد.

سیستم خنک شونده با آب دریا چیست؟

واژه دیگری که در این کاربرد به کار می رود، خنک کننده ثانویه است که معمولا آب دریا یا رودخانه است. آب اولیه سپس برای خنک کردن (مانند پروسه های شیمیایی، فولاد، تجهیزات کشتی، سکوهای نفتی) به کار می رود.

مبدل صفحه ای دو واشره PHE آب مصرفی را خنک می کند که در سردخانه ها و چیلرهای تراکمی به کار می رود.

امتیازات این سیستم زیاد است. در کاربرد با این روش نیازی به برج خنک کننده نیست. آب سیکل در یک مدار بسته باقی می ماند و عاری از اکسیژن و محصولات خورنده است. تجهیزات حساس تنها با آب چیلد شده در تماس هستند. خوردگی و رسوب آب دریا نیز یکی از مشکلات این روش است.

سیستم های مستقیم در برابر غیر مستقیم

در ساختمان های بلند، فشار ستون آب از پائین تا سقف می تواند زیاد بوده و ممکن است برای استفاده فن کویل ها زیاد باشد. مجموعه فن کویل ها از طریق آب خنک شده، برودت را تولید می کنند. روش های گوناگونی برای این کار وجود دارد:

  • ساده ترین و موثرترین روش، استفاده از تجهیزات در وسط (طبقات میانی) ساختمان است. با فرستادن آب دریا به طبقات میانی و تغذیه سیستم و توزیع آب سرد می توان مشکل فشار را حل کرد.
  • در سیستم نشان داده شده در شکل زیر، آب توسط آب دریا خنک می شود. سپس آب خنک شده کندانسورها در همان طبقه را خنک می کند.
  • با این روش (همانطوری که در شکل می بینید) فشار در تمام طبقات ثابت باقی می ماند. در این روش به دلیل تغذیه غیرمستقیم،3  تا 7k اختلاف دما در حالت تغذیه مستقیم کندانسور خواهیم داشت.
  • یک چیلر تراکمی که برای تمام ساختمان استفاده می شود و در زیر زمین قرار دارد، می تواند از فشار شکن هایی که در هر طبقه نصب شده، استفاده کند.

تجهیزات

مدخل آبگیری در شکل پایین، آب از یک کانال به زیر زمین و جایی که پمپ ها قرار دارند فرستاده می شود. امتیاز این روش هزینه پائین عمرانی پروژه است.

عیب این روش وجود مواد نامطلوب (آشغال) در کناره های آب است. آب با این روش ممکن است دارای مواد نامطلوبی باشد.

صافی ها. صافی های خود تمیز شونده یا توری ها می توانند از ورود ذرات بزرگ به پمپ ها جلوگیری کنند.

پمپ های آب دریا. در شکل 10 پمپ ها در مکانی پائین تر از سطح آب نصب شده اند بنابراین فشار مثبت در ورودی پمپ وجود دارد و کاربرد و تجهیزات ساده تر خواهد شد.

امکان نصب پمپ بالاتر از سطح آب نیز وجود دارد اما با این روش تجهیزات اضافی نیز باید نصب گردد.

شکل 10. کندانسور آب خنک با آب دریا

پمپ های آب دریا معمولا دارای ایمپلر (پروانه) برنزی و شفت استینلس استیل و پوسته چدنی هستند. پمپ های بزرگ باید دارای دو ورودی باشند. شکل زیر نشان دهنده پمپ هایی با یک ورودی است.

فیلترهای خود تمیز شونده (شکل بالا را ببینید). انواع مختلفی از این فیلترها وجود دارند. صافی این فیلترها از استینلس استیل است. حداقل سایز اتصال این فیلترها 100mm است. با معکوس کردن جریان، عمل تمیز شدن انجام می گیرد. عمل تمیز شدن فیلترها می تواند به صورت اتوماتیک و برای مثال افت فشار انجام شود.

در هنگام معکوس شدن جریان، ذرات و آشغال ها از طریق یک لوله کوچک تخلیه می گردد.

انواع مختلفی از این فیلترها وجود دارد که به صورت اتوماتیک فیلترها را تمیز می کند.

شکل 11. کندانسور آب خنک با آب دریا در چیلر تراکمی:

 

مبدل های صفحه ای برای چیلرهای تراکمی و سردخانه ها، قسمت دوم


منتشر شده در :// نویسنده:mehrspand

contact

تهران،خیابان آزادی،اتوبان نواب،جنب خیابان هاشمی،پلاک 48
شماره تماس:
09123873563
021-43855203

ایمیل پشتیبانی : info@mehrespand.ir
facebook google instagram twitter aparat pinterest

about us

این شرکت با استفاده از استانداردهای معتبر جهانی تحت عنوان,ASHRAE-15مقررات و ایمنی تبرید مکانیکی ASAB9.1 و قوانین ASMEجهت مخازن تحت فشار در زمینه تاسیسات برودتی توانسته است بهترین راهکارهای تعمیر، سرویس، راهبری و تامین قطعات دستگاههای تهویه مطبوع را ارائه نماید و نیز با بهره گیری از توان علمی و تخصصی و دانش فنی روز دنیا نسبت به ارائه مشاوره و راهنمائی محققین ،دانشجویان و علاقه مندان به این رشته را فراهم نماید. علاقه مندان جهت دریافت هر گونه پاسخ در این زمینه با گروه مشاورین شرکت تماس حاصل نمایند.

mehrspand


    تمامی حقوق مادی و معنوی این وبسایت محفوظ است 2008-2015