در خیلی از پروژه های صنعتی لازم است حرارت آب به هوای محیط منتقل شود. این کار در نگاه اول ساده به نظر می رسد. یک طرف آب گرم یا سرد داریم و طرف دیگر هوا قرار دارد. اما وقتی بحث ظرفیت حرارتی و مصرف برق فن و افت فشار و محدودیت فضای نصب پیش می آید ، انتخاب دستگاه دیگر به این سادگی نیست.
مبدل حرارتی آب به هوا تجهیزی است که برای انتقال انرژی حرارتی بین آب و جریان هوا استفاده می شود. در این سیستم معمولا آب داخل لوله ها حرکت می کند و هوا از روی سطح خارجی لوله ها عبور می کند. انتقال حرارت از طریق دیواره فلزی انجام می شود و در طراحی درست هیچ تماس مستقیمی بین آب و هوا وجود ندارد.
این نوع مبدل در سیستم های تهویه صنعتی و گرمایش و سرمایش فضاهای کاری و بعضی فرآیندهای تولیدی کاربرد دارد. البته همه مدل های آب به هوا یک ساختمان ندارند. در یک پروژه ممکن است کویل لوله و پره انتخاب مناسبی باشد و در پروژه ای دیگر به سطح انتقال حرارت بزرگ تر یا آرایش متفاوت لوله ها نیاز داشته باشیم.
برای شناخت خانواده های مختلف تجهیزات و اینکه هر کدام کجا استفاده می شوند ، می توان از مبدل حرارتی شروع کرد. این دسته بندی دید کلی تری درباره انواع تجهیزات انتقال حرارت می دهد.
مبدل آب به هوا چگونه کار می کند؟
اصل کار دستگاه اختلاف دمای آب و هوا است. فرض کنید آب گرم از یک دیگ یا مدار حرارتی وارد کویل می شود. فن هوا را از روی لوله ها و پره های مبدل عبور می دهد. آب بخشی از انرژی خود را از راه دیواره لوله به سطح بیرونی منتقل می کند و سپس جریان هوا این انرژی را دریافت می کند.
در حالت سرمایش هم همین سازوکار وجود دارد اما جهت انتقال حرارت تغییر می کند. مثلا اگر آب سرد درون کویل جریان داشته باشد و هوای محیط گرم تر از سطح کویل باشد ، حرارت هوا به آب منتقل می شود و دمای هوای خروجی پایین می آید.
یک نکته را باید در طراحی در نظر گرفت. فقط دانستن دمای ورودی آب کافی نیست. دبی آب و دمای هوای ورودی و رطوبت هوا و سرعت عبور هوا و سطح موثر انتقال حرارت هم اهمیت دارند. اگر یکی از این عوامل درست محاسبه نشود ، دستگاه ممکن است در شرایط واقعی به ظرفیت مورد انتظار نرسد.
در سیستم های تهویه صنعتی ، این تجهیزات اغلب در کنار فن و کانال و فیلتر و سیستم کنترل استفاده می شوند. بنابراین بررسی عملکرد مبدل باید با در نظر گرفتن کل مجموعه انجام شود و نه فقط مشخصات کویل به تنهایی.
اجزای اصلی مبدل حرارتی آب به هوا
ساختار دستگاه با توجه به کاربرد و ظرفیت متفاوت است ، اما در بسیاری از مدل های متداول اجزای زیر دیده می شوند.
لوله های انتقال آب: آب گرم یا سرد از داخل لوله ها عبور می کند. جنس لوله باید با دما و فشار کاری و کیفیت آب سازگار باشد. مس و فولاد و فولاد زنگ نزن از گزینه های رایج هستند و انتخاب نهایی به شرایط پروژه بستگی دارد.
پره های انتقال حرارت: چون انتقال حرارت از سمت هوا معمولا محدود کننده است ، از پره برای افزایش سطح تماس با هوا استفاده می شود. تعداد پره ها و فاصله آنها و کیفیت اتصال پره به لوله بر عملکرد دستگاه اثر می گذارد.
هدر و اتصالات: وظیفه آنها توزیع جریان آب در مسیرهای مختلف و جمع کردن جریان خروجی است. طراحی نامناسب این قسمت ممکن است باعث توزیع نامتوازن آب شود.
فن و محفظه هوا: در سیستم های فن دار، فن باید دبی هوای مورد نیاز را با توجه به افت فشار کویل و فیلتر و کانال تامین کند. انتخاب فن فقط بر اساس قطر یا توان موتور تصمیم درستی نیست.
بدنه و شاسی: بدنه باید برای شرایط محیطی و نحوه نصب مناسب باشد. در محیط مرطوب یا خورنده ، حفاظت سطحی و انتخاب متریال اهمیت بیشتری پیدا می کند.
بسته به نوع دستگاه ، ممکن است شیر کنترلی آب و حسگر دما و فشار و تجهیزات تخلیه هوا نیز لازم باشد. جزئیات نهایی باید با نقشه و شرایط فرآیندی پروژه مشخص شود.
کاربرد مبدل حرارتی آب به هوا در صنایع مختلف
۱. سیستم های تهویه صنعتی
یکی از کاربردهای اصلی این تجهیزات ، گرم یا سرد کردن هوای ورودی به سالن های تولید و فضاهای صنعتی است. آب گرم یا سرد در یک مدار مرکزی تولید می شود و کویل داخل دستگاه هوا ساز یا واحد تهویه ، دمای هوا را تغییر می دهد.
در این کاربرد باید به دمای هوای ورودی و خروجی و مقدار هوای مورد نیاز توجه کرد. اگر قرار است هوای تازه زیادی وارد سالن شود ، بار حرارتی آن باید در محاسبات دیده شود. در غیر این صورت ممکن است دستگاه در روزهای سرد یا گرم سال پاسخگوی نیاز نباشد.
برای شناخت ارتباط این تجهیزات با سیستم های تهویه می توان مقاله مبدل حرارتی در سیستم های HVAC را هم بررسی کرد.
۲. گرمایش سالن های تولید و کارگاه ها
در بعضی کارخانه ها نیاز است فضای کار در فصل سرد در محدوده دمایی مشخصی باقی بماند. استفاده از آب گرم در کویل های گرمایشی می تواند یکی از راهکارها باشد. آب از دیگ یا منبع حرارتی تامین می شود و فن هوای سالن را از روی کویل عبور می دهد.
در چنین پروژه ای فقط ظرفیت اسمی دستگاه ملاک نیست. ارتفاع نصب و مسیر پرتاب هوا و تعداد دستگاه ها و میزان ورود هوای سرد از درها هم باید بررسی شود. اگر دستگاه نزدیک سقف نصب شود اما هوای گرم به محل حضور کارکنان نرسد ، مصرف انرژی بالا می رود ولی آسایش حرارتی به دست نمی آید.
۳. خنک کاری تجهیزات و تابلوهای صنعتی
برخی تجهیزات صنعتی هنگام کار گرما تولید می کنند و باید این حرارت از محیط اطرافشان خارج شود. در شرایطی که استفاده از مدار آب و انتقال حرارت به هوا از نظر فنی مناسب باشد ، مبدل آب به هوا می تواند بخشی از راه حل باشد.
در این کاربرد باید مشخص شود که هدف خنک کردن خود تجهیز است یا هوای داخل اتاق آن. همچنین اگر هوا دارای گرد و غبار روغنی یا ذرات فلزی باشد، طراحی فیلتر و دسترسی برای نظافت اهمیت زیادی دارد.
۴. صنایع غذایی و دارویی
در خطوط غذایی و دارویی ، کنترل دما در فضاهای تولید و بعضی مراحل فرآیند اهمیت دارد. کویل آب به هوا ممکن است در سیستم تهویه یا آماده سازی هوا استفاده شود. با این حال ، در محیط های بهداشتی باید نظافت پذیری و جنس سطوح و امکان کنترل آلودگی در نظر گرفته شود.
این موضوع به معنی مناسب بودن هر مدل معمولی برای محیط بهداشتی نیست. طراحی باید با الزامات واقعی پروژه و شرایط شستشو و کیفیت هوای مورد نیاز هماهنگ باشد.
۵. تجهیزات هوا خنک و دفع حرارت
در بعضی سامانه های صنعتی ، آب یا سیال دیگری باید از طریق عبور هوا خنک شود. اگر هدف دفع حرارت از سیال به هوای محیط باشد ، خانواده مبدل حرارتی هوا خنک نیز باید بررسی شود.
با وجود شباهت ظاهری ، هر کویل آب به هوا با یک مبدل هوا خنک صنعتی یکسان نیست. دبی سیال و فشار کاری و دمای طراحی و شرایط محیطی تعیین می کنند که کدام آرایش مناسب تر است. انتخاب دستگاه باید از وظیفه واقعی آن در فرآیند شروع شود.
تفاوت مبدل آب به هوا با سایر انواع مبدل حرارتی
تفاوت اصلی این تجهیزات در نوع سیال هایی است که حرارت بین آنها منتقل می شود. در مبدل آب به هوا ، یک سمت آب و سمت دیگر هوا است. در مبدل آب به آب ، هر دو جریان مایع هستند. در انواع پوسته و لوله نیز دو سیال معمولا در مسیرهای جداگانه داخل پوسته و لوله ها حرکت می کنند.
برای پروژه هایی که به مسیرهای لوله ای متعدد یا آرایش متفاوت جریان نیاز دارند ، بررسی مبدل حرارتی چند لوله ای می تواند مفید باشد. این تجهیزات را نباید صرفا بر اساس نام یا شکل ظاهری با کویل های هوا به آب یکسان در نظر گرفت.
همچنین مبدل حرارتی پوسته و لوله در بسیاری از فرآیندهای صنعتی برای انتقال حرارت بین دو سیال استفاده می شود. انتخاب میان این ساختارها باید بر اساس نوع وظیفه حرارتی و محدودیت های نصب و بهره برداری انجام شود.
برای انتخاب اولیه چه اطلاعاتی لازم است؟
پیش از استعلام ساخت یا خرید دستگاه ، بهتر است اطلاعات پایه پروژه جمع آوری شود. اگر این اطلاعات مشخص نباشد ، ظرفیت اعلام شده ممکن است با شرایط واقعی کار تفاوت داشته باشد.
دمای آب ورودی و دمای آب خروجی مورد نیاز
دمای هوای ورودی و دمای هوای خروجی هدف
دبی آب و دبی هوا
فشار کاری و افت فشار مجاز در هر سمت
شرایط محیطی مانند رطوبت و گرد و غبار و مواد خورنده
محدودیت ابعاد و محل نصب
ساعت کارکرد روزانه و نحوه کنترل دستگاه
برای تعیین ظرفیت و ابعاد ، می توان از روش های محاسباتی انتقال حرارت استفاده کرد. ولی نتیجه نهایی باید با محدودیت افت فشار و عملکرد فن و شرایط بهره برداری تطبیق داده شود.
در مرحله اول بهتر است وظیفه دستگاه روشن باشد: آیا قرار است هوا گرم شود یا سرد شود؟ آیا هدف ، دفع حرارت از آب به محیط است یا تامین هوای گرم برای یک فرآیند؟ پاسخ این سوال مسیر انتخاب را مشخص می کند.
انتخاب مبدل حرارتی آب به هوا بر اساس شرایط واقعی کار
در پروژه های صنعتی معمولا دو دستگاه با ظرفیت اسمی یکسان لزوما عملکرد یکسانی ندارند. علت هم روشن است. دمای آب و دبی هوا و افت فشار و شرایط محیطی می توانند تفاوت زیادی داشته باشند. به همین دلیل انتخاب مبدل باید با اطلاعات واقعی فرآیند انجام شود.
مثلا فرض کنید یک کارخانه به دستگاهی نیاز دارد که آب گرم را برای گرمایش هوای سالن به کار بگیرد. اگر فقط دمای آب ورودی و متراژ سالن را اعلام کنیم ، اطلاعات کافی برای طراحی نداریم. باید معلوم باشد چه مقدار هوای تازه وارد سالن می شود و چه دمایی در خروجی کویل لازم است و هوای مورد نیاز با چه فشاری باید از دستگاه عبور کند.
در مرحله طراحی ، روش محاسبه ظرفیت و سطح انتقال حرارت اهمیت دارد. مقاله محاسبه ظرفیت مبدل حرارتی می تواند برای شناخت مبانی محاسباتی مفید باشد. البته ظرفیت نهایی یک کویل آب به هوا به محاسبات اختصاصی همان تجهیز نیاز دارد و نباید اعداد مربوط به یک نوع مبدل را بدون بررسی به نوع دیگر منتقل کرد.
نقش اختلاف دما در عملکرد دستگاه
هرچه اختلاف دمای موثر بین آب و هوا بیشتر باشد ، معمولا انتقال حرارت با شرایط مناسب تری انجام می شود. اما این موضوع به تنهایی به معنی کوچک تر شدن قطعی دستگاه نیست. ضریب انتقال حرارت و سطح پره ها و سرعت جریان و افت فشار هم در نتیجه اثر دارند.
اگر دمای آب ورودی کاهش پیدا کند ، ممکن است برای رسیدن به همان دمای هوای خروجی به سطح انتقال حرارت بیشتری نیاز باشد. در طرف دیگر ، افزایش سرعت هوا می تواند انتقال حرارت را بهبود دهد اما افت فشار و مصرف برق فن را هم بالا ببرد.
بنابراین طراحی باید بین ظرفیت حرارتی و هزینه بهره برداری تعادل ایجاد کند. یک دستگاه کوچک که برای رسیدن به ظرفیت لازم مجبور است با فن پرمصرف کار کند ، همیشه انتخاب اقتصادی تری نیست.
چه زمانی مبدل فین تیوب یا فین پلیت مناسب است؟
در بسیاری از کاربردهای آب به هوا ، استفاده از سطح پره دار کمک می کند سطح تماس موثر در سمت هوا افزایش پیدا کند. دو ساختار قابل بررسی در این زمینه، مبدل های فین تیوب و فین پلیت هستند.
مبدل حرارتی فین تیوب
در ساختار فین تیوب ، پره ها روی لوله ها نصب می شوند تا سطح انتقال حرارت افزایش پیدا کند. این آرایش در بسیاری از کویل های گرمایشی و سرمایشی و تجهیزات دفع حرارت کاربرد دارد.
برای بررسی این ساختار و مشخصات آن ، مبدل حرارتی فین تیوب قابل استفاده است. در زمان انتخاب باید جنس لوله و پره و فاصله پره ها و آرایش ردیف ها و امکان نظافت بررسی شود.
اگر محیط دارای گرد و غبار زیادی باشد ، فاصله کم پره ها می تواند باعث گرفتگی سریع تر سطح شود. از طرف دیگر ، افزایش فاصله پره ها ممکن است بر ابعاد دستگاه و سطح انتقال حرارت مورد نیاز اثر بگذارد. این تصمیم باید بر اساس شرایط واقعی محیط گرفته شود.
مبدل حرارتی فین پلیت
در بعضی طراحی ها استفاده از ساختار فین پلیت می تواند با نیازهای پروژه هماهنگ باشد. تفاوت ساختاری این تجهیزات با مدل های دیگر باید در کنار نحوه توزیع سیال و سطح انتقال حرارت و محدودیت های ساخت بررسی شود ، می توان به مبدل حرارتی فین پلیت مراجعه کرد. انتخاب این مدل به معنی برتری همیشگی آن نسبت به فین تیوب نیست. نوع جریان و شرایط کاری و طراحی واقعی تعیین کننده است.
تاثیر جنس لوله و پره بر طول عمر مبدل
متریال از مواردی است که در ابتدای کار شاید ساده به نظر برسد ولی بعدا می تواند هزینه تعمیرات زیادی ایجاد کند. جنس لوله باید با کیفیت آب و ترکیبات شیمیایی و فشار و دمای کاری سازگار باشد. جنس پره نیز باید با شرایط محیطی و روش اتصال آن به لوله هماهنگ باشد.
برای مثال ، در محیطی که رطوبت و مواد خورنده وجود دارد ، انتخاب فلز صرفا بر اساس ضریب انتقال حرارت کافی نیست. باید احتمال خوردگی و روش تمیزکاری و کیفیت آب نیز در نظر گرفته شود.
اگر کیفیت آب مدار مناسب نباشد ، رسوب می تواند در سمت داخلی لوله ها تشکیل شود. این لایه مقاومت حرارتی را افزایش می دهد و در موارد شدید سطح عبور جریان را نیز محدود می کند. در سمت هوا هم گرد و غبار روی پره ها می نشیند و عبور هوا را دشوارتر می کند.
به همین دلیل انتخاب متریال و برنامه نگهداری باید از ابتدای طراحی مشخص شود و به زمان خرابی دستگاه موکول نشود.
انتخاب مدل عمودی یا افقی مبدل هوا خنک
در تجهیزات هوا خنک ، جهت نصب و مسیر ورود و خروج هوا می تواند روی جانمایی و سرویس دستگاه اثر بگذارد. انتخاب مدل عمودی یا افقی فقط به فضای موجود محدود نیست. باید مسیر جریان هوا و دسترسی برای تعمیر و وضعیت سازه نگهدارنده هم بررسی شود.
برای پروژه هایی که آرایش عمودی با محدودیت فضا یا مسیر جریان هوا هماهنگ است ، می توان مشخصات مبدل حرارتی هوا خنک عمودی را بررسی کرد.
این دو صفحه به معنی آن نیستند که هر دو محصول برای همه کاربردهای آب به هوا مناسب هستند. پیش از انتخاب باید مشخص شود دستگاه مورد نظر کویل داخل سیستم تهویه است یا تجهیزی مستقل برای خنک کردن سیال با هوای محیط. این تفاوت روی ساختار دستگاه و تجهیزات جانبی اثر دارد.
مبدل لوله ای پره دار در چه شرایطی بررسی می شود؟
در برخی کاربردها ، به ویژه زمانی که دفع حرارت از سیال و عبور هوا از روی سطح لوله ها مطرح است ، ساختار لوله ای پره دار می تواند مورد بررسی قرار بگیرد. با این حال ، جزئیات ساخت و فشار طراحی و نحوه توزیع سیال باید متناسب با کاربرد تعیین شود.برای آشنایی با این ساختار می توانید مبدل حرارتی لوله ای پره دار را مشاهده کرد.
نباید از روی نام محصول نتیجه گرفت که عملکرد آن دقیقا مشابه یک کویل گرمایشی در دستگاه هواساز است. وظیفه حرارتی و محدوده فشار و دما و دبی جریان در هر پروژه باید جداگانه بررسی شود.
محاسبه ظرفیت حرارتی و سطح انتقال حرارت
برای برآورد اولیه بار حرارتی در یک جریان آب ، می توان از رابطه زیر استفاده کرد:
نام فرمول: محاسبه بار حرارتی آب
در این رابطه:
(Q) بار حرارتی بر حسب وات است.
(dot{m}) دبی جرمی آب بر حسب کیلوگرم بر ثانیه است.
(Cp) گرمای ویژه آب بر حسب ژول بر کیلوگرم کلوین است.
(Tin) دمای ورودی آب است.
(Tout) دمای خروجی آب است.
برای آب در محدوده شرایط معمول ، می توان در محاسبات اولیه گرمای ویژه را نزدیک به (4180) ژول بر کیلوگرم کلوین در نظر گرفت. در طراحی دقیق باید شرایط واقعی سیال و واحدها کنترل شود.
این رابطه بار حرارتی سمت آب را مشخص می کند. برای تعیین سطح انتقال حرارت ، باید شرایط سمت هوا و ضریب کلی انتقال حرارت و اختلاف دمای موثر نیز محاسبه شود. در کویل های پره دار ، مقاومت حرارتی سمت هوا و کیفیت اتصال پره به لوله و وضعیت سطح از عوامل مهم هستند.
اگر هدف ، تعیین ابعاد نهایی دستگاه باشد ، استفاده از یک رابطه ساده به تنهایی کافی نیست. محاسبات باید با اطلاعات سازنده و افت فشار مجاز و عملکرد فن تطبیق داده شود.
افت فشار هوا و مصرف برق فن
در انتخاب مبدل آب به هوا ، افت فشار سمت هوا موضوع مهمی است. هرچه مسیر عبور هوا محدودتر شود ، فن برای تامین دبی مورد نیاز به فشار بیشتری نیاز دارد. این مسئله می تواند مصرف برق و صدای دستگاه را افزایش دهد.
فاصله پره ها و تعداد ردیف لوله ها و سرعت عبور هوا روی افت فشار اثر دارند. علاوه بر این ، فیلتر کثیف و کانال نا مناسب نیز ممکن است باعث افت عملکرد کل سیستم شود.
در عمل باید منحنی عملکرد فن با افت فشار واقعی کویل و سایر اجزای مسیر هوا بررسی شود. انتخاب فن با توان بالاتر بدون بررسی این شرایط ، راه حل مناسبی برای طراحی ضعیف نیست. اگر محل نصب و مسیر سرویس به آرایش افقی نیاز داشته باشد ، مبدل حرارتی هوا خنک افقی گزینه ای برای ارزیابی است.
نگهداری مبدل آب به هوا و نشانه های افت عملکرد
افت ظرفیت همیشه به معنی خرابی لوله ها نیست. در بسیاری از موارد ، تجمع گرد و غبار روی پره ها یا کاهش دبی آب یا عملکرد نامناسب فن باعث می شود دستگاه به ظرفیت مورد انتظار نرسد.
در برنامه نگهداری بهتر است موارد زیر بررسی شوند:
تمیز بودن سطح پره ها و مسیر عبور هوا
عملکرد فن و وضعیت یاتاقان ها و لرزش غیر عادی
دمای آب ورودی و خروجی در شرایط کاری قابل مقایسه
نشتی اتصالات و وضعیت شیرهای کنترلی
تغییر افت فشار هوا یا آب نسبت به شرایط اولیه
وضعیت خوردگی و آسیب مکانیکی پره ها و لوله ها
روش نظافت باید با جنس لوله و پره سازگار باشد. استفاده از مواد شیمیایی نامناسب یا فشار مکانیکی زیاد ممکن است به پره ها آسیب بزند. در مواردی که رسوب داخل لوله تشکیل شده است ، نوع رسوب و متریال باید پیش از انتخاب روش پاکسازی مشخص شود.
خطاهای رایج در انتخاب مبدل آب به هوا
یکی از خطاهای رایج ، انتخاب دستگاه بر اساس ظرفیت اعلام شده بدون بررسی شرایط مرجع است. ظرفیت یک تجهیز ممکن است تحت دما و دبی مشخصی اعلام شده باشد. اگر شرایط پروژه متفاوت باشد ، همان ظرفیت اسمی تضمین کننده عملکرد واقعی نیست.
خطای دیگر ، نادیده گرفتن شرایط محیط نصب است. در محیطی با گرد و غبار بالا ، طراحی باید امکان نظافت را فراهم کند. در محیط خورنده نیز حفاظت سطحی و انتخاب متریال اهمیت دارد.
همچنین باید از انتخاب دستگاه صرفا بر اساس ابعاد ظاهری یا قیمت اولیه پرهیز کرد. هزینه بهره برداری و برق فن و سرویس دوره ای و دسترسی به قطعات نیز در هزینه کل مالکیت موثر هستند.
برای انتخاب نهایی ، بهتر است مشخصات فرآیند و نقشه محل نصب و اطلاعات جریان آب و هوا در اختیار طراح یا سازنده قرار بگیرد. با این روش ، احتمال انتخاب نامناسب و اصلاحات بعدی کاهش پیدا می کند.
چه اطلاعاتی برای سفارش ساخت مبدل حرارتی آب به هوا لازم است؟
اگر دستگاه برای یک پروژه اختصاصی تهیه می شود ، بهتر است اطلاعات زیر در درخواست فنی درج شود:
کاربرد دقیق دستگاه و وظیفه حرارتی آن
دمای ورودی و خروجی آب
دبی آب و فشار کاری
دمای ورودی هوا و دمای خروجی مورد انتظار
دبی هوا و افت فشار مجاز
شرایط محیطی و میزان گرد و غبار یا خورندگی
محدودیت های ابعادی و نحوه نصب
نوع کنترل مورد نیاز و ساعات کارکرد
الزامات مربوط به جنس قطعات و استانداردهای پروژه
با این اطلاعات می توان درباره ساختار مناسب و ابعاد و سطح انتقال حرارت تصمیم فنی گرفت. در پروژه های صنعتی ، بهتر است مشخصات طراحی و شرایط تضمین عملکرد پیش از ساخت به صورت روشن ثبت شوند.
