مبدل های هواخنک
سپتامبر 30, 2018
سیستم های گرمایشی برای فصل سرما
اکتبر 1, 2018
Show all

کولر های هوا خنک

مبدل هوا خنک یا خنک کن هوایی قابل مقایسه با هیچ یک از انواع مبدل ها نمی باشد. چرا که در این مبدل از هوا جهت خنک کردن سیال کاری استفاده می شود. بنابراین جهت جایگزینی آن با انواع دیگر مبدل ها، لازم است ابتدا به این سوال پاسخ داده شود که آیا می توان از سیال دیگری بجز هوا به عنوان مثال آب یا سیال خنک کن دیگری، جهت خنک کردن سیال مورد نظر استفاده کرد یا خیر؟

در مقایسه با آب، هوا سیال بسیار نامناسبی جهت انتقال حرارت می باشد. در دمای °C40 ضریب هدایت گرمایی آب در حدود ۲۳ برابر هوا، چگالی آب در حدود ۸۸۰ برابر هوا و نیز گرمای ویژه آن در حدود ۴ برابر هوا می باشد، با این همه، در دسترس بودن هوا به عنوان سیال خنک کن و نیز حجم نا محدود قابل استفاده از آن، از امتیازات منحصر به فرد هوا به عنوان یک سیال خنک کن می باشد.

ایده استفاده از مبدل هوا خنک در مقیاس بزرگ صنعتی به اواخر دهه­ ی ۱۹۲۰ در صنایع نفت و گاز آمریکا بر می گردد که درآن جا به دلیل کمبود آب، یک مجموعه لوله را به صورت عمودی در برابر وزش جریان باد قرار دادند. در اواسط دهه­ ی ۱۹۳۰ طرح این مبدل تغییر کرد. به این ترتیب که مجموعه لوله ها را به صورت افقی قرار دادند و هوای لازم توسط یک فن تأمین می گردید. بنابراین فرآیند خنک کاری از وزش طبیعی باد مستقل شد. درهمین ایام، در صنایع شیمیایی آلمان نیز اساس مبدل هوا خنک رو به تکامل بود. استفاده موفقیت آمیز این مبدل، باعث رواج روز افزون آن در دیگر صنایع شد.

از جمله استاندارد های معتبر در زمینه مبدل هوا خنک می توان به استاندارد (ISO 13706-1)API 661اشاره نمود. این استاندارد، بخشی از پیش نیازها و پیشنهادات لازم جهت طراحی، انتخاب جنس، ساخت، نظارت، تست و نیز شرایط آماده سازی جهت انتقال مبدل، در صنایع پتروشیمی را پوشش می دهد. همچنین این استاندارد، داده برگ مشخصی را جهت طراحی حرارتی مبدل هوا خنک ارایه کرده است.

کولر هوایی
air cooler
کولر هوایی

مقایسه هوا و آب جهت خنک کاری

صرف نظر از میزان دسترسی به منابع آبی جهت خنک کاری، تصمیم گیری در مورد استفاده از آب یا هوا به عنوان سیال خنک کن، به عوامل دیگری نظیر فضای کافی جهت استقرار تجهیزات، شرایط مالی، دمای هوای محیط، وجود سیال هایی که به هر دلیل نمی توان با هوا آن را خنک کرد، میزان گرمای دور ریز و عوامل بسیار دیگری بستگی دارد که باید به دقت مورد مطالعه قرار گیرد. با این حال جدول زیر می تواند در این تصمیم گیری موثر باشد.

دسترس پذیر بودن سیال هوا همواره در دسترس است اما دسترسی به منابع آبی همواره امکان پذیر نیست.
شرایط محیط صرف نظر از دسترس پذیر بودن منابع آب، با توجه به مشکلات و هزینه بالای انتقال آب، محل واحد باید تا حد امکان به منبع آبی نزدیک باشد.
موقعیت تجهیز اطراف خنک کن هوایی باید به طور کامل باز باشد. به عنوان مثال نباید با ساختمان های بلند محصور شده باشد. خود مبدل نیز نسبت به تجهیزات اطراف آن باید در ارتفاع بالاتری نصب گردد.
فضای موجود فضای بیش تری جهت استقرار مبدل هوا خنک در مقایسه با آب خنک مورد نیاز است. اگرچه که در موارد محدودی می توان از فضای زیر سازه مبدل هوایی نیز استفاده کرد، با این حال سطح زیادی از واحد را اشغال می نماید. در عین حال، تجهیزات جانبی مبدل آب خنک، نظیر برج خنک کن نیز فضای فابل ملاحه ای را اشغال میکند. با این تفاوت که این تجهیزات، لازم نیست در کنار خود مبدل قرار گیرند ومی توانند در حاشیه واحد مستقر گردند.
تغییرات آب و هوایی شرایط خوا دستخوش تغییرات زیاد وسریعی است و در طول فصل ها یا ساعات مختلف شب و روز می تواند تغییرات قابل ملاحضه ای داشته باشد. عوامل طبیعی نظیر تابش خورشید، بارندگی و برف و نظایر آن می تواند پیش بینی عملکرد این مبدل را با دشواری رو به رو نماید. با توجه به این که سطح لوله ها در معرض هوای آزاد قرار دارد، عوامل فرسایشی نظیر گرد و غبار یا طوفان شن نیز باید مورد توجه قرار گیرد . همچنین در مناطقی که زمستان های بسیار سردی داردف همواره خطر یخ زدگی سیال کاری درون تیوب ها وجود دارد.
عوامل زیست محیطی توجه به آلایندگی تجهیز نیز از دیگر عوامل تصمیم گیری به شمار می آید. آلایندگی صوتی فن های مورد استفاده و نیز گرم شدن موضعی هوای اطراف مبدل از جمله موارد تاثیر گذار در محیط زیست  اطراف می باشد. از سوی دیگر گرم شدن موضعی منابع آبی و نیز تزریق حجم زیادی بخار آب ز خروجی برج های خنک کن یا پاشش لایه نمک در محیط اطراف در صورت استفاده از آب شور در برج خنک کن نیز از آلایندگی های مبدل آبی به شمار می آید.
جنس مورد استفاده هوا سیالی است غیر خورنده. بنابراین در انتخاب جنس، فقط باید به خواص سیال کاری توجه نمود. این در حالی است که در مبدل های آبی باید به تناسب جنس با هر دو سیال کاری و آب توجه نمود.
فشار از آن جا که سیال پر فشار در مبدل هوایی درون لوله استف بنابراین طراحی آن ساده تر و ضخامت ها پایین تر خواهد بود.
دمای خروجی سیال در مبدل آب خنک، دمای سیال خروجی بسته به شرایط محیط بین °C 3 تا C° ۶ سردتر می باشد.
کمبود توان مصرفی در صورت نقصان در توان مصرفی تجهیزف همچنان امکان خنک شدن سیال به کمک وزش باد تا حدودی وجود دارد.
آلودگی خطر نشت سیال فر آیندی و مخلوط شدن ان با سیال خنک کن در مبدل های آبی به مراتب بیش تر از مبدل های هوایی است.
رسوب گذاری رسوب گذاری آب بسیار بیش تراز رسوب گذاری هواست و در طراحی مبدل آب خنک باید مقاومت رسوبی بزرگ تری را در در نظر گرفت.
تعمیر و نگهداری به دلیل تمیز بودن و غیر خورنده بودن هوا، قرار گرفتن سیال پر فشار در لوله ها و دلایل دیگر، هزینه تعمیر و نگهداری مبدل هوایی بسیار پایین تر از مبدل آبی است.
هزینه اولیه هزینه اولیه و ساخت یک مبدل هوایی در حدود ۲ تا ۳ برابر یک مبدل آبی است. با این حال از آن جا که مبدل های آبی نیاز به پمپ و برج خنک کن دارندف هزینه ساخت کل تجهیزات لازم ممکن است بیش تر از هزینه ساخت یک خنک کن هوایی باشد.
هزینه کارکرد هزینه کارکرد، ترکیبی است از توان مصرفی، هزینه نگهداری و سایر موارد که در هنگام طراحی باید بر آورد گردند.
کولر هوایی
کولر هوایی
air cooler

ایده استفاده از مبدل هوا خنک در مقیاس بزرگ صنعتی به اواخر دهه­ ی ۱۹۲۰ در صنایع نفت و گاز آمریکا بر می گردد که درآن جا به دلیل کمبود آب، یک مجموعه لوله را به صورت عمودی در برابر وزش جریان باد قرار دادند. در اواسط دهه­ ی ۱۹۳۰ طرح این مبدل تغییر کرد. به این ترتیب که مجموعه لوله ها را به صورت افقی قرار دادند و هوای لازم توسط یک فن تأمین می گردید. بنابراین فرآیند خنک کاری از وزش طبیعی باد مستقل شد. درهمین ایام، در صنایع شیمیایی آلمان نیز اساس مبدل هوا خنک رو به تکامل بود. استفاده موفقیت آمیز این مبدل، باعث رواج روز افزون آن در دیگر صنایع شد.

از جمله استاندارد های معتبر در زمینه مبدل هوا خنک می توان به استاندارد (ISO 13706-1 API 661) اشاره نمود. این استاندارد، بخشی از پیش نیازها و پیشنهادات لازم جهت طراحی، انتخاب جنس، ساخت، نظارت، تست و نیز شرایط آماده سازی جهت انتقال مبدل، در صنایع پتروشیمی را پوشش می دهد. همچنین این استاندارد، داده برگ مشخصی را جهت طراحی حرارتی مبدل هوا خنک ارایه کرده است.

کاربردهای مبدل هوا خنک:


  • كاربردهاى فشار بالا: فرآيندهاى بالادستى و ميان دستى نظيرو خطوط انتقال گاز. LNG، تزريق گاز، استحصال گاز
  • كاربرهاى مجتمع فرآيندى: خنك كردن و يا چگالش هيدروكربن ها و گازها.
  • كاربردهاى فشار پايين و سيال هاى كثيف: خنك كردن هيدروكربن هاى سنگين و روغن ماشين آلات

نحوه عملكرد مبدل گرمايى هوا خنك شونده:

طرز كار اين نوع مبدل ها بدين شكل است كه در حين اينكه سيال گرم درون تيوب جريان دارد، هواى محيط بعنوان سيال خنك كننده از روى سطح خارجى آن تيوب عبور داده مى شود.در اين راستا، هواى خنك كننده بوسيله فن از روى لوله هاى پره دار عبور داده مى شود تا بيشترين سطح انتقال حرارت ايجادگردد. شايان ذكر است كه ميزان انتقال حرارت تابعى است ازسطح پره تيوب ها و سرعت عبور هوا از روى تيوب هاى پره دار.

تركيب بندى مبدل گرمايى هوا خنك شونده:

مبدل هاى گرمايى هوا خنك شونده داراى تركيب بندى هاى زيرمى باشند:

  • تيوب باندل: دسته اى از تيوب ها كه دركنار هم قرار گرفته و در ابتداو انتها به هدرها و از اطراف به قاب هاى كنارى محدود هستند.
  • Bayمجموعه اى از يك يا بيشتر تيوب باندل كه تحت پوشش دو یا تعداد بیشتری فن قرار دارند. یک Bay شامل شازه و سایر تجهیزات متعلقه نیز می­باشد.
  • Unit:تعداد یک یا بیشتری تیوب باندل جهت یک سرویس جداگانه

اجزاء مبدل گرمايى خنك شونده:

  • يك مبدل گرمايى هوا خنك شونده از قسمت هاى زير تشكيل شده است:
  • تيوب باندل (شامل هدر، تيوب، قاب كنارى و نگهدارنده تيوب)
  • وسيله حركت دهنده هوا (مانند فن يا دمنده)
  • سيستم گرداننده (معمولاً موتور الكتريكى يا توربين بخار) وانتقال قدرت (معمولاً تسمه يا چرخ دنده)
  • پلنیوم و حلقه دور فن (Plenum & Fan Ring)
  • سازه نگهدارنده
  • كويل بخار (اختيارى)
  • سكو جهت تعمير و نگهدارى فن و هدرها (اختيارى)
  • مجرای کرکره ای عبور هوا (Louver) (اختیاری)
  • سيستم تنظيم تيغه فن (اختيارى)
  • سيستم كنترل موتور دورمتغير (اختيارى)
  • محفظه مخصوص چرخش مجدد هواى گرم (اختيارى)
  • سوئيچ ارتعاش

تيوب باندل:

تيوب باندل را مى توان قلب يك مبدل گرمايى هوا خنك شو بحساب آورد، به نحوي كه وظيفه اصلى تبادل حرارت در اين قسمت انجام مى گيرد.تيوب باندل از قسمت هاى زير تشكيل شده است:

  • تيوب (پره دار ويا لخت)
  • هدر
  • سازه باندل (شامل قاب كنارى، نگهدارنده تيوب و گوشواره هاى( بلند كردن تيوب باندل)

تيوب:

مجرايى است كه سيال گرم جهت خنك شدن از آن عبور داده مى شود. حداقل قطر خارجى تيوب در اين نوع مبدل بايستى۲۵میلیمترباشد. به منظور جبران پايين بودن ميزان تبادل گرمايى هوا، معمولاً سطح خارجى تيوب ها را با قرار دادن پره ها بر روی آن افزایش می دهند.

درعين حال، زمانيكه ضريب انتقال گرما سيال داخل لوله پايين بوده و داراى مقدارى مشابه با ضريب انتقال گرماى سمت هواى تيوب بدون پره باشد، تأثير پره دار كردن تيوب به ميزان چشمگيرى كاهش مى يابد. در اين حالت شايسته است استفاده از تيوب بدون پره مورد بررسى قرار گيرد.

پره ها:

پره ها به منظور افزايش سطح انتقال حرارت و در نتيجه ميزان آن، مورد استفاده قرار مى گيرند. پره ها معمولاً به شكل مارپيچ و يا صفحه اى هستند. معمولاً آلومينيوم (و بعضى اوقات مس) بدليل هدايت گرمايى بالا، وزن كم و قابليت شكل دهى مناسب،بعنوان جنس پره ها مورد انتخاب قرار مى گيرد. در عين حال از فولاد بعنوان جنس پره ها جهت كاركردهاى با درجه حرارت بسيار بالا نيز استفاده مى شود.

 

انواع پره ها و انتخاب آن ها:

L-Footed (Wrap-on)این نوع از پره ها به شکل Lبر روی سطح تیوب پوشانیده می شوند.

Knurled L-Footedاین نوع از پره ها مشابه نوع Lهستند ولی پایه پره بصورت برآمده بر روی سطح تیوب قرار دارد که باعث افزایش سطح تماس می شود.

Double L-Footedاین نوع از پره ها نیز مانند نوع Lبوده ولی دارای همپوشانی بر روی یکدیگر در محل پایه پره می باشد. این همپوشانی باعث محافظت بیشتر سطح تیوب می شود.

Extrudedاین نوع پره ها با روش Extrusionاز تیوب آلومینیوم درست شده که باعث تولید پره هایی بهم پیوسته در تمام طول تیوب اصلی می گردد.

G “Embedded”این نوع پره ها درون شیارهای مارپیچی که بر روی سطح تیوب ایجاد شده اند، کار گذاشته می شود.

 

فن:

فن وسيله ايجاد جريان هوا در يك مبدل گرمايى هوا خنک شونده بوده كه معمولاً از نوع جريان محور(Axial Flow)  مى باشد. به منظور توزيع يكنواخت و مناسب هوا بر روى تيوب باندل، فن ها بايستى سطح تيوب باندل را بطور كافى پوشش دهند. هرBay داراى حداقل ۲ عدد فن مى باشد تا در صورت از كار افتادن يكى از فن ها، ساير فن( ها) بتوانند ظرفيت خنك كنندگى را تأمين نمايند.

قطر فن ها معمولاً بين ۱ تا ۵ متر (بعضى مواقع بيشتر از اين) و داراى۴الى ۱۰ تيغه هستند. جنس تيغه ها نيز اغلب ازآلومينيوم يا فايبرگلاس تقويت شده(FRP, Fiberglass Reinforced Plastic)  و بعضى اوقات ازفولادمیباشد.

فن ها همچنين داراى تيغه هاى ثابت يا قابل تنظيم هستند، كه تنظيم زاويه تيغه ها مى تواند بصورت دستى و يا اتوماتيك انجام شود.

ذكر اين نكته ضرورى است كه ساده ترين روش براى كاهش صدا،كم كردن سرعت نوك فن بوده كه استانداردهاى معتبر براى اينمنظور محدوديت هايى تعيين كرده اند.

پلنیوم (Plenum):

پلنيوم محفظه اى است كه توزيع يكنواخت جريان هوا بين فن و باندل را تأمين مى كند. پلنيوم به شكل جعبه اى يا ديواره هاىشيبدار مى باشد كه نوع ديواره هاى شيبدار آن بهترين توزيع هوارا بر روى باندل ايجاد مى كند.

حلقه دور فن (Fan Ring):

حلقه دورفن يك قطعه استوانه اى شكل است كه فن را در برمى گيرد. لازم به ذكر است كه فاصله بين حلقه دورفن و نوك تيغه فن اثر قابل ملاحظه اى بر روى بازده فن دارد كه استانداردجهت اين مورد هم محدوديت هایی عنوان کرده است.

سیستم گرداننده:

فن بوسیله­ ی یکی از ادوات زیر گردانده می شود:

  • موتور الکتریکی
  • توربین بخار
  • موتور گازی یا بنزینی
  • موتور هیدرولیکی

ولی انتخاب غالب در اکثر مواقع، موتور الکتریکی است.

 

سیستم انتقال قدرت:

انتقال قدرت از سيستم گرداننده به فن به دو روش مستقيم و غيرمستقيم متداول است.

  • روش مستقيم: دراين روش، شافت فن مستقيماً به موتورمتصل مى گردد كه براى فن هاى با قطر كوچك مورد استفاده قرار مى گيرد.
  • روش غيرمستقيم: دراين روش، شافت فن بطور غير مستقيم وبوسيله فلكه-تسمه يا چرخ دنده به موتور متصل مى شود.

سوئیچ ارتعاش:

این سوئیچ معمولاً بر روی هر کدام از فن ها قرار داده می شود تا در صورت ارتعاش شدید فن، فرمان خاموش شدن موتور را صادر کند.

سازه:

سازه كولر هوايى شامل تير، ستون، بادبند و غيره بوده و باعث نگهداشتن باندل، موتور، فن و ساير تجهيزات مكانيكى مى شود.اين سازه بايستى بارهاى استاتيكى و ديناميكى را تحمل كرده و براى بارهاى باد و زلزله طراحى شود. سكوهاى دسترسى به هدرها و موتورها نيز جزئى از اين سازه مى باشند.

سازه كولرها بر روى زمين و يا Pipe Rack قرارداده مى شوندكه درحالت اخير به دليل قرارگرفتن تجهيزات و ادوات مختلف ديگرى در زيركولر هوايى، موجب صرفه جويى در سطح اشغال شده مى گردد.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *