مقدمه
زمانی از صنعت تبرید فقط برای تهیه یخ استفاده میشد ولی امروزه برای تهیه و نگهداری مواد غذایی به طور مؤثر و در عملیات صنعتی و تهویه مطبوع برای خنک سازی در سطح وسیعی از تبرید استفاده میشود. کاربرد تبرید در رشتههای مختلف صنعتی و زندگی موجودات زیاد بوده ولی به طور خلاصه میتوان آن را به چهار دسته تقسیم کرد:
– در تهیه و نگهداری مواد غذایی
– در صنایع شیمیایی
– در دستگاههای سرد کننده خانگی و صنعتی
– در تهویه مطبوع و تهویه صنعتی
در کلیه سیستمهای عملی تبرید ، حفظ سرما مستلزم گرفتن حرارت از موادی با درجه حرارت پایینتر و خارج کردن این حرارت به محیطی با درجه حرارت بالاتر میباشد.
مراحل بنیادی و اساسی تبرید عبارتند از :
– افزایش درجه حرارت مبرد
– تغییر فاز
– انبساط مایع
– انبساط گاز ایدهآل
– تولید خلاء
– انبساط گاز حقیقی
– عملیات الکتریکی
تبرید و سیکل تراکمی تبخیری
به هر تحولی که در آن حرارت گرفته میشود تبرید میگویند. در تحولات برودتی ماده جذب کننده حرارت یا عامل سرمایی را مبرد یا ماده سرما زا مینامند . دیاگرام شماتیک یک سیستم تراکمی تبخیری ساده در شکل ۱-۱ نشان داده شدهاست . اجزاء این سیستم عبارتند
۱ – کمپرسور (Compressor) که بخار را از اواپراتور مکیده و دما و فشار آن را به حدی افزایش میدهد که بتواند با عامل تقطیر معمولی تقطیر شود.
۲ – لوله گاز داغ یا تخلیه (Dischsrge Line) که بخار پر فشار و با دمای زیاد را از خروجی کمپرسور به کندانسور میرساند.
۳ – کندانسور (Condensor) که سطح تبادل حرارتی لازم برای انتقال حرارت از بخار مبرد گرم به عامل تقطیر را فراهم مینماید.
۴ – مخزن ذخیره مایع (Receiver tank) که تقطیر شده را ذخیره مینماید و جریان ثابتی از مایع مورد نیاز را به اواپراتور برقرار میکند.
۵ – لوله مایع (liquid Line) که مبرد مایع را از مخزن ذخیره به تکنترل کننده ماده مبرد میرساند.
۶ – شیر انبساط (Exp. Valve) که مقدار مناسبی از مبرد را به اواپراتور میرساند و فشار آن را طوری کاهش میدهد که مایع بتواند در دمای پایین مورد نظر ، تبخیر شود.
۷ – اواپراتور (Evaporator) که سطح تبادل حرارتی لازم برای انتقال حرارت از فضا یا محصول را به مبرد تبخیر شونده فراهم مینماید.
۸ – لوله مکش (Suction Line) که بخار کم فشار را از اواپراتور به مکش کمپسور انتقال میدهد.
۱ – ۱ تقسیم بندی سیستم تبرید
یک سیکل تبرید بر اساس فشار مبرد به ۲ قسمت میشود:
۱ – قسمت کم فشار : که شامل کنترل کننده مبرد ، اواپراتور و لوله مکش بوده و فشار آنها تقریباً برابر فشار تبخیر مبرد در اواپراتور میباشد.
۲ – قسمت پر فشار سیستم : شامل کمپرسور ، لوله تخلیه یا گاز داغ ، کندانسور ، مخزن دخیره مایع و لوله مایع بوده و فشار آنها برابر فشار تقطیر مبرد در کندانسور میباشد.
۲ – انواع کمپرسورها
۲ – ۱ کمپرسورهای سیلندر پیستونی
دامنه کاربرد : زمانی از این نوع کمپرسور استفاده میشود که حجم مخصوص کم و فشار نسبتاً بالا نیاز داریم (سیستم سردخانهای )
۲ – ۱ – ۱ انواع کمپرسورهای پیستونی
از نظر مراحل تراکم
۱ – یک مرحلهای Single-stage
۲ – دو مرحلهای ۲ – Stage
علل استفاده از سیستم دو مرحلهای
– با کاهش دمای اواپراتور ، جرم حجمی گاز مبرد در مکش کمپرسور کاهش یافته و در نتیجه میزان خنک شدن کمپرسور کاهش مییابد.
– اختلاف فشار زیاد بین اواپراتور و کندانسور و در نتیجه دمای گاز خروجی از کمپرسور افزایش مییابد.
از نظر ترکیب شدن الکتروموتور و کمپرسور
۱ – هرمتیک (Hermetic) : الکتروموتور و کمپرسور در یک پوسته بسته قرار دارند .
۲ – نیمه هرمتیک بدون کاسه نمد (Semi Hermetic) : الکتروموتور و کمپرسور در یک پوسته باز قرار دارند.
۳ – باز یا کاسهنمدی (Open Type) : الکتروموتور و کمپرسور در دو پوسته جداگانه قرار دارند.
۲ – ۱ – ۲ مزایای کمپرسور سمی هرمتیک نسبت به باز :
دور بیشتر ، ابعاد کوچکتر ، سرو صدای کمتر ، منتفی شدن نشت گاز از سیستم به اتمسفر .
– به طور کلی میتوان گفت در ظرفیتهای بالا از کمپرسورهای کاسه نمدی ( باز ) در ظرفیتهای متوسط از کمپرسورهای بدون کاسه نمد ( نیمه بسته ) و در ظرفیتهای پایین از کمپرسورهای هرمتیک استفاده میشود.
۲ – ۲ کمپرسورهای گریز از مرکز
معمولاً وقتی از این کمرسور استفاده میشود که حجم بخار ورودی به کمپرسور خیلی زیاد باشد . به عبارت دیگر کمپرسورهای گریز از مرکز از نوع ماشینهای با ظرفیت بالا و از نظر ساختمان مشابه پمپهای سانتریفوژ میباشند و بر اساس نیروی گریز از مرکز کار میکنند.
۲ – ۳ کمپرسورهای دوار Scroll
سه نوع کمپرسورهای دوار رایج در تبرید عبارتند از :
۱ – پیستون غلتکی
۲ – تیغه دوار
۳ – حلزونی (پیچی )
هر چند ظرفیت کمپرسورهای دوار مستقیماً با سرعت تغییر میکند کنترل ظرفیت اکثراً با آزاد کردن مقداری از گاز مبرد کم فشار متراکم شونده قبل از متراکم شدن از طریق انشعاب آن از محفظه بین تیغهها به لوله مکش و در نتیجه با تراکم تنها قسمتی از گاز ، انجام میشود.
۲ – ۴ کمپرسورهای پیچی (مارپیچی ) Screw
کمپرسورهای حلزونی از نوع کمپرسوهای با جابجایی مثبت هستند و در آنها عمل تراکم بخار با درگیر شدن دو روتور حلزونی که در سیلندری مجهز به مجرای خروجی و ورودی لازم قرار گرفتهاند انجام میشود.
مزایا :
۱ – صدای کم
۲ – لرزش کم
۳ – جریان یکنواخت مبرد
۴ – طول عمر بیشتر و ضریب اطمینان بیشتر (بالا)
۵ – راندمان حجمی بالا
معایب :
۱ – سرعت بسیار زیاد
۲ – سیستم روغن کاری مخصوص
کاربرد :
(صنایع تهویه مطبوع ) – در مواردی که حجم مخصوص بالا داریم .
۳ – اواپراتورها:
اواپراتورها از نظر ساختمان به ۳ دسته تقسیم میشوند.
۳ – ۱ لولهای :
معمولاً از لولههای فولادی و مسی ساخته میشوند. از این نوع کویل برای سرد کردن مایعات استفاده میشود.
۳ – ۲ صفحهای :
از دو صفحه فلزی که بر روی شان شیارهایی برای عبور مبرد ایجاد شدهاست ساخته شدهاست این نوع اواپراتورها به دلیل امکان شکل پذیری به فرم دلخواه ، تولید اقتصادی و سهولت تمیز کردن در یخچالها و فریزرهای خاگی مورد استفاده قرار میگیرد.
نوع دیگر از لولهای واقع بین دو صفحه فلزی تشکیل شده است صفحات در انتها به یکدیگر جوش میشوند. در این اواپراتورها برای ایجاد تماس حرارتی مطلوئب بین صفحات و لوله حامل مبرد ، فضای بین صفحات را با محلول اتکتیک پر میکنند. (کامیونهای یخچال دار )
۳ – ۳ اواپراتور پردهدار
۳ – ۳ – ۱ اواپراتور پرهدار نوعی از اواپراتورهای لولهای میباشند که در آنها به منظور افزایش سطح خارجی و در نتیجه بهبود راندمان سرد کردن هوا ، پرههایی (فین ) به عنوان سطح ثانویه جذب حرارت بر روی لولهها قرار گرفتهاند (افزایش انتقال حرارت از لوله به هوا )
اواپراتورهای ساخت شرکت SAB COOL از نوع اواپراتورهای پرهدار بوده که در جهت افزایش میزان انتقال حرارت از مبرد به لوله (حدوداً ۳۰% ) ، از لولههای شیار دار (Inner Groove) استفاده میشود. (لولههایی با شیار داخلی ) که این دو مورد (فین و لوله شیاردار) باعث افزایش راندمان دستگاههای تولیدی صنایع برودتی وحید شدهاست
تشکیل برفک بر روی کویلهای سرد کننده هوایی که در درجات حرارت پایین کار میکنند غیر قابل اجتناب است و این موضوع موجب محدود شدن مجرای بین پرهها و کند شدن جریان هوا در روی کویل میشود. در اواپراتورهای طراحی شده برای کاربردهایی با دمای پایین ، برای به حداقل رساندن احتمال محدود شدن مجرای بین پرهها و کند شدن جریان هوا فاصله پرهها بیشتر و تعداد آنها کمتر باشد . بدین منظور مدلهای LD و X طراحی گردیدهاست که مدل LD برای زیر صفر و X برای تونل های انجماد مورد استفاده قرار میگیرد.
مدل LD دبل فین (شکل زیر ) قسمتی از کویل با Fin spacing=4/5 mm و بقیه با Fin spacing=7mm تولید شدهاست و در مدل X ، تمامی کویل با Fin spacing=7 mm تولید میگردد. ولی در کویلهای استفاده شده در سردخانههای بالای صفر و تهویه که دمای سطح کویل از دمای انجماد بالاتر است به دلیل عدم تشکیل برفک پرهها به فواصل کمتر هم قابل چیدن است مثلاً مدلهای M که در آنها Fin spacing=4/5 mm است : SE-M, SKE-M
۳ – ۳ – ۲ مزیت کویلهای پرهدار:
کویلهای پرهدار نسبت به اواپراتور های ساده ، سطوح حرارتی بیشتری دارند و در ظرفیت یکسان ، نسبت به اواپراتورهای لولهای و صفحهای ، فضای کمتری را اشغال مینمایند و لذا استفاده از آنها موجب صرفهجویی قابل ملاحظه ای در فضا میشود . این امر استفاده از آنها را در دستگاههای با جریان اجباری هوا ، مناسب میسازد.
۳ – ۳ – ۳ نحوه چیدمان لولهها :
افت فشار اضافی در اواپراتورها موجب میشود بخار مکش با فشاری کمتر از فشار لازم به ورودی مکش کمپرسور رسیده و در نتیجه باعث کاهش ظرفیت و راندمان کمپرسور میشود. طراحی اواپراتورهای SAB COOL به صورتی است که کمترین افت فشار در لولههای اواپراتور مشاهده میشود .
۳ – ۳ – ۴ بدنه اواپراتور :
بدنه اواپراتور باید از جنسی مقاوم رطوبت – خوردگی – قابل شستشو ( بهداشتی ) باشد .
بدنه اواپراتورهای SAB COOL از ورق گالوانیزه آلورینگ ۹ لایه با روکش چرمی میباشد که علاوه بر زیبایی ظاهری ، در برابر خوردگی وع.امل فرسایشی مقاوم است .
۴ – کندانسورها :
کندانسورها نیز همچون اواپراتورها وسایل انتقال حرارت میباشند که در آنها حرارت بخار مبرد از طریق سطوح لولهها به عامل تقطیر (مثلاً هوا یا آب ) منتقل شده و در اثر آن بخار مبرد ابتدا تا دمای اشباع سرد و سپس به مایع تبدیل میشود .
به طور کلی کندانسورها بر سه نوع میباشند:
۴ – ۱ خنک شونده با هوا
۴ – ۲ خنک شونده با آب کندانسورهای دو لولهای ، پوسته و کویل ، پوسته و لوله
۴ – ۳ کندانسور تبخیری
در کندانسورهای هوایی از هوا به عنوان عامل تقطیر استفاده میکنند در حالی که در کندانسورهای آبی برای تقطیر مبرد از آب استفاده میشود. در کندانسورهای تبخیری ، هم هوا و هم آب مورد استفاده قرار میگیرد. گرچه در کندانسورهای تبخیری ، دمای هوای عبوری مقداری افزایش مییابد اما تقطیر مبرد عمدتاً از تبخیر آب پاشیده شده بر روی کندانسور ناشی میشود و وظیفه هوا افزایش شدت تبخیر با رفع بخار آب حاصل تبخیر میباشد.
۴ – ۱ – ۱ کندانسورهای هوایی
جریان هوا در کندانسور های هوایی ممکن است به دو صورت زیر انجام شود :
۱ – طبیعی (کاربرد یخچال ها و فریزرهای خانگی )
۲ – جریان هوا به وسیله فن یا دمنده (اجباری )
۴ – ۱ – ۲ ساختمان کندانسور
۱ – کویل ، بخش اصلی هر مبدل حرارتی را کویل تشکیل میدهد . اجزاء تشکیل دهنده کویل عبارتند از: لوله – فین
لوله : لولههای کویل کندانسورهای SAB COOL با قطر و شیاردار (Inner Groove) هستند . که این شیارهای داخلی باعث افزایش سطح داخلی لوله (حدوداً ۳۰% ) و در نهایت افزایش انتقال حرارت از مبرد به لوله میشود.
فین : فینهای آلومینیومی لووردار (Loover) که روی سطح لوله قرار میگیرد با ایجاد اغتشاش در جریان هوای جریان عبوری از سطح کویل (مطابق شکل زیر ) باعث افزایش انتقال حرارت از لوله به هوا میشود. و این دو عامل ( لوله و فین ) باعث افزایش بازدهی کندانسورهای SAB COOL شده است . ظرفیت کندانسورهای خنک شونده با هوا معمولاً در شرایط مختلف کاری و بر حسب Kw محاسبه میشود. با توجه به اینکه مساحت و مقدار ضریب U کندانسور به هنگام ساخت مشخص میگردد، ظرفیت کندانسور به اختلاف درجه حرارت متوسط بین هوا و مبرد تقطیر شونده بستگی دارد . اختلاف دمای کندانسور معمولاً از ۱۱ تا ۱۶ درجه سانتیگراد تغییر میکند که در مناطق معتدل ۱۶ و برای مناطق گرمسیر ۱۱ درجه سانتیگراد است . بنابراین ظرفیت یک کندانسور با سطح تبادل حرارتی و ضریب انتقال حرارت یکسان در مناطق معتدل بیشتر و در مناطق گرمسیر کمتر است .
۲ – فن / موتور
در کندانسورهای با جریان اجباری هوا عامل به حرکت در آوردن هوا بر روی سطح کویل ، فن میباشد. فن استفاده شده در کندانسورهای SAB COOL دارای مشخصات زیر است :
– نوع محوری و اینترنال
– سه فاز و تک فاز
– توان مصرفی مناسب و راندمان بالا
– حداقل ارتعاش و صدا
– کلاس حفاظتی ip54
– زاویه مناسب پروانهها (مؤثر در پرتاب هوا )
– طراحی آیرودینامیکی تیغههای پروانه برای حداکثر جابجایی هوا
۱ – کندانسورهای دو لولهای
۲ – کندانسورهای پوسته و کویل
۳ – کندانسورهای پوسته و لوله
۴ – ۲ – ۱ کندانسورهای آبی
کندانسورهای پوسته و لوله از تعدادی لوله مستقیم وم موازی هم که به وسیله صفحه لولهها در محل خود نگه داشته میشوند و در داخل پوسته فولادی استوانهای شکلی قرار میگیرند تشکیل شدهاست . آب خنک کننده از داخل لولههایی که از جنس مس است جریان مییابد در حالی که مبرد در داخل پوسته فولادی مابین لولهها قرار میگیرد .
کندانسورهای آبی SAB COOL ساخته شده از لولههای مسی به قطر است که روی سطح این لولهها شیارهایی برای افزایش میزان انتقال حرارت وجود دارد ، این از مزیتهای این کندانسورها به حساب میآید.
آب از فضای مابین صفحه لولهها و صفحات انتهای (end plates) جریان مییابد و صفحات انتهایی برای هدایت جریان آب تقسیمبندی شدهاند. نحوه تقسیم بندی صفحات انتهایی به ترتیبی است که تعداد گذرهای آب در داخل کندانسور از یک طرف آن به طرف دیگر را قبل از خروج از کندانسور تعیین میکند. تعداد گذرها حداقل ۴ و حداکثر ۵ میباشد.
به ازای تعداد کل لوله و مقدار آب جریانی برابر ، در کندانسور چهار گذره سرعت آب دو برابر و افت فشار ۸ برابر کندانسور ۲ گذره است . به دلیل زیاد بودن سرعت آب در کندانسور ۴ گذره ضریب انتقال حرارت بیشتر و به ازای ظرفیت انتقال حرارت معین سطح انتقال حرارت کمتری لازم خواهد بود ولی به دلیلی افت فشار بیشتر توان لازم برای جریان دادن آب بیشتر میشود.
چیلر
چیلر به دستگاهی گفته میشود که ایجاد برودت مینماید. اساس کار کلیه چیلرها بر مبنای تبخیر سیالی میباشد که آن را سرد مینامند.
از خصوصیات مبردها ، غیر سمی ، غیر قابل اشتعال ، دارای نقطه تبخیر پایین ، گرمای نهان تبخیر بالا و … میباشد .
در صنعت چیلرها به دو دسته تراکمی و جذبی تقسیم میگردد که در این بخش به بررسی اجمالی هر یک از چیلرها میپردازیم .
۱ – چیلرهای تراکمی
چیلرهای تراکمی از چهار قسمت اواپراتور ، کمپرسور ، کندانسور و شیر انبساط تشکیل شدهاست .
مبرد در اواپراتور در حالت مایع اشباع یا نزدیک به مایع اشباع در فشار و دمای پایین وارد اواپراتور میگردد و با گرفتن گرما از آب ( سیال ناقل ) یا هوا به بخار در همان فشار پایین تبدیل میگردد . برای اینکه بخار ایجاد شده مجدداً به مایع اولیه برگردد ( مایع اشباع به مایعی گفته
میشود که تحت یک فشار معین به بخار تبدیل میگردد) میبایست گرمای جذب شده از مبرد جدا شود.
محیطهایی که در مجاورت دستگاه میباشد هوای اتمسفر (کندانسور هوایی ) یا هوای مرطوب ایجاد شده توسط برج خنک کننده میباشد .
لذا گرمای جذب شده توسط مبرد میبایست به محیطهای مذکور منتقل گردد. اساس کار سیستمهای ضربهای یا تراکمی و جذبی ایجاد شرایطی است که در آن شرایط امکان انتقال حرارت به محیط اطراف ایجاد شود.
در سیستمهای ضربهای مکمل کمپرسور فشار سیال ، به اندازهای که دمای مبرد حداقل °۱۵ الی °۲۰ سانتیگراد بالاتر از دمای خشک محیط افزایش مییابد.
کمپرسورهایی که در چیلر های تراکمی بکار برده میشوند به پنج گروه تقسیم میگردند.
۱ – کمپرسورهای رفت و برگشتی یا پیستونی (Reciprocating)
۲ – کمپرسورهای پیچی ( Screw)
۳ – کمپرسورهای حلزونی (Scroll)
۴ – کمپرسورهای چرخشی (Rotary)
۵ – کمپرسورهای سانتریفیوژ
اصول کارکرد کمپرسورهای ردیف ۱ الی ۴ ( جابجایی مثبت ) با کمپرسورهای سانتریفوژ ( کمپرسورهای دینامیکی ) تفاوت قابل ملاحظهای دارند. در کمپرسورهای جابجایی مثبت ، حجم معینی از گاز توسط پیستون ، مارپیچ ، حلزون و یا چرخش دائماً کم میشود. و با کاهش حجم گاز ، فشار بخار افزایش مییابد.
در حالیکه در کمپرسورهای سانتریفیوژ ، گاز به دلیل شتاب گرفتن توسط پروانه دوار متراکم میشود و با کاهش سرعت در یک دیفیوزر ، فشار افزایش مییابد. کمپرسورهای سانتیفیوژ در ظرفیتهای بسیار بالا کاربرد دارد .
از نظر نحوه ارتباط محفظه کمپرسور و موتور الکتریکی نیز کمپرسورها به سه دسته تقسیم میگردند.
۱ – کمپرسور های بسته (Hermetic)
۲ – کمپرسورهای نیمه بسته (Semi Hermetic)
۳ – کمپرسورهای باز (Open Type)
در کمپرسورهای بسته موتور الکتریکی و محفظه کمپرسور در یک پوسته نصب شدهاند و در صورت خرابی کمپرسور و یا الکتروموتور قابل تعمیر نمیباشند لذا در ظرفیتهای کوچک ساخته میشوند.
در کمپرسورهای نیمه بسته موتور و الکتروموتور در یک پوسته دو قسمتی قرار دارند . بهعبارت دیگر قسمت موتور و کمپرسور کاملاً مشخص میباشد ظرفیت اینگونه کمپرسورها معمولاً متوسط بوده و از ظرفیت کمپرسورهای بسته بیشتر میباشد.
در کمپرسورهای باز محفظه کمپرسور و الکتروموتور جدا از یکدیگر میباشند و توسط کوپلینگ به یکدیگر متصل میگردند . این کمپرسورها در ظرفیتهای بالا ساخته میگردند .
۲ – چیلرهای جذبی
عملکرد چیلرهای جذبی از یک طرف همانند چیلرهای ضربهای میباشد بهاین ترتیب بخار مبرد را در فشار پایین به بخار مبرد در فشار بالا تبدیل مینماید. در سیستمهای ضربهای این عمل توسط کمپرسور و کار مکانیکی انجام میپذیرد اما در سیستمهای جذبی بخار مبرد توسط ماده جاذب ابتدا جذب شده محلول بهصورت مایع در فشار پایین قرار دارد این محلول توسط پمپ محلول فشارش افزایش مییابد و به محفظه ژنراتور منتقل میگردد و در ژنراتور با انتقال گرما به محلول ، بخار فشار بالا تولید میگردد. بخار فشار بالای مبرد در کندانسور چگالیده شده و به مایع تبدیل میگردد . این مایع فشار بالا با انتقال به اواپراتور و کاهش فشار ، دمایش کاهش یافته و قابلیت جذب حرارت را پیدا مینماید با جذب حرارت تبخیر گشته ، سیکل مجدداً تکرار میگردد.
هر سیستم جذبی از یک ماده مبرد و یک ماده جاذب تشکیل شدهاست . مبرد مادهای است که با گرفتن گرما تبخیر میگردد و جاذب مادهای میباشد که بخار مبرد را جذب نموده بهصورت محلول در میآید.
در سیستمهای جذبی که در تهویه مطبوع بکار بردهمیشوند مبرد آب و جاذب لیتیم بروماید مورد استفاده قرار میگیرند اما در سیستمهای برودتی مبرد آمونیاک و جاذب آب میباشد .
سیستم انتقال گرما در ژنراتور چیلرهای جذبی یکی از چهار نوع زیر میتواند باشد
۱ – استفاده از آبگرم
۲ – استفاده از آبداغ ( دمای بیش از C °۱۰۰ )
۳ – استفاده از بخار
۱ – ۳ ) فشار پایین psi 15 Single effect
۲ – ۳ ) فشار بالا psi 15 Double effect
۴ – شعله مستقیم آتش Direct Fire