بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحی موتورخانه های دارای چیلر
استفاده از آب سرد برای خنک کردن شیوهای مرسوم، منعطف و مؤثر می باشد یک لوله دو اینچی 40 .sch حاوی آب سرد می تواند معادل یک کانال هوا با قطر ۴۲ اینچ در سرمایش و ایجاد آسایش محیطی نقش داشته باشد. استفاده از چیلرها به مهندسان طراح امکان می دهد تا آب سرد مورد نیاز را در موقعیتی مرکزی در ساختمان و یا حتی روی سقف آن تولید کرده و آن را به نحوی اقتصادی و مؤثر و بدون استفاده از شفتهای بزرگ عبور کانال در ساختمان توزیع نمایند. آب سرد امکان کنترل دقیق دما را نیز فراهم می آورد که برای بسیاری از کاربردهای VA۷ یا حجم متغير هوا سودمند و حتی حیاتی است.
مقالاتی که از این پس در مجله صنعت تأسیسات با عنوان راهنمای طراحی موتورخانه های دارای چيلر" ارائه می شوند به بررسی راهکارهای مرسوم در سیستمهای آب سرد و نیز سیستمهای پمپاژ جریان متغیر می پردازد.
- شیوه های معمول طراحی شبکه لوله ها
معمول ترین شیوه های لوله کشی مورد استفاده در سیستمهای تهویه مطبوع عبارتند از
حلفه تک چیلر (Single Cliller Loop)
چیلرهای موازی
چیلرهای سری
و سیستمهای اولیه / ثانویه یا سیستمهای ناهمبسته (Decoupled)
- حلقه تک چیلر
این سیستم بسیار ساده بوده و شامل یک چیلر، برج خنک کن، پمپها و لوله های مربوط به بار سرمایی، آب سرد و کندانسور می باشد.
چیلر : چیلر را می توان از نوع هواخنک و یا خنک شونده با آب انتخاب نمود. چیلرهای کمپرسوری معمولا در انواع رفت و آمدی، اسکرول، اسکرو و یاسانتریفوژ تولید می شوند. اواپراتور چیلرها را می توان در مدلهای هوا خنک دور از بخش کندانسور قرار داد. بدین ترتیب كل حلقه و مدار لوله آب سرد با وجود استفاده از چیلری در خارج از ساختمان در داخل آن اجرا می گردد.
همانطور که می دانید، آب سرد از درون اواپراتور چيلر عبور می کند. اواپراتور یک مبدل حرارتی است که آب سرد در آن گرمای محسوس خود را از دست می دهد (دمای آب کاهش می یابد و گرما را به صورت گرمای نهان به مبرد منتقل می کند ( مبرد تبخیر شده و یا به جوشش در می آید).
شرایط معمول طراحی سیستمهای تهویه مطبوع عبارتند از دمای آب سرد رفت معادل ۴۴ درجه فارنهایت و با گذر 2.4 gpm بر تن. تغییرات دمای سیال در کندانسور و یا اواپراتور را می توان با فرمول زیر تشریح نمود :
که در آن مقدار انتقال حرارت بر حسب btu / hr و یا W, kW نرخ گذر سیال بر حسب گالن در دقیقه یا لیتر در ثانیه، C گرمای ویژه سیال بر حسب معرف تغییر دمای سیال بر حسب درجه فارنهایت و یا سانتیگراد می باشد.
اگر آب را به عنوان سال در نظر بگیریم، می توان فرمول فوق را به صورت ساده تر زیر تبدیل نمود:
اگر شرایط طراحی را در فرمولهای فوق اعمال نماییم، میزان تغییر دمای اواپراتور ۱۰ درجه فارنهایت به دست خواهد آمد. در نتیجه
دمای آب ورودی به اواپراتور ۵۴ درجه فارنهایت خواهد بود. مبنای اکثر طراحی های تهویه مطبوع، حفظ دمای ۷۵ درجه فارنهایت و رطوبت نسبی ۵۰٪ در فضاهای دارای ساکن می باشد. نقطه شبنم هوا در این شرایط برابر 55.08 درجه فارنهایت خواهد بود. بسیاری از سیستمهای تهویه مطبوع بر اساس خنک کردن هوا و رسیدن به این نقطه شبنم جهت کنترل رطوبت نسبی مناسب در فضا طراحی می شوند.
اگر رویکرد ۱۰ درجه فارنهایتی در کویل سرمایشی به کار رود، دمای آب سرد رفت باید ۴۴ یا ۴۵ درجه فارنهایت باشد. البته طراحان ملزم به رعایت این شرایط و ارقام نمی باشند و می توانند با تصحیح شرایط طراحی با توجه به مقتضیات پروژه به راه حلهای بهتری از لحاظ مصرف انرژی دست یابند
تغییر دادن نرخ جریان (دبی) آب سرد بر عملکرد چیلر تأثیرگذار است. دبی های بسیار کم باعث افت کارایی چیلر شده و در نهایت به جریان لایه ای منتهی می شود. حداقل نرخ جریان معمولا ۳ فوت در ثانیه می باشد. بالا بودن دبی از سوی دیگر موجب بروز ارتعاش صدا و فرسودگی لوله ها خواهد شد. حداکثر نرخ جریان در حد ۱۲ فوت در ثانیه است. نرخ جریان آب سرد باید بین دو مقدار یاد شده تعیین گردد.
آب خنک کن سیستم از درون کندانسور چیلر عبور می کند، کندانسور نیز به مانند اواپراتور یک مبدل حرارتی است. البته در این حالت، گرمای جذب شده در ساختمان به علاوه کار تراکمی انجام شده توسط کمپرسور از مبرد خارج شده ( مبرد چگالیده می شود) و وارد آب کندانسور می گردد (دمای آن افزایش می یابد. محدودیت نرخ جریان کندانسور کاملا مشابه اواپراتور می باشد. .
لوله کشی ها : جنس لوله ها معمولا از فولاد، مس و یا پلاستیک است. مدار لوله کشی آب سرد یک حلقه بسته می باشد؛ حلقه های بسته به جو راه ندارند. شکل ۱ نشان دهنده یک حلقه بسته ساده است که پمپی در پایین آن قرار دارد. توجه داشته باشید که فشار استاتیک ایجاد شده به واسطه ارتفاع، در دو سوی پمپ برابر است. پمپ در یک حلقه بسته تنها باید بر تلفات اصطکاکی لوله ها و اتصالات و اجزاء فائق آید. پمپ در این مدار لوله نباید آب را به بالای حلقه انتقال دهد. حلقه آب سرد نیاز به منبع انبساط دارد تا جوابگوی انبساط های حرارتی آب باشد. لوله کشی آب سرد دارای عایق است چون آب و لوله هر دو در دمای پایین تر از نقطه شبنم قرار دارند و در صورت عدم استفاده از عایق. تشکیل چگالیده روی لوله و تلفات حرارتی محتمل خواهد بود
مدار لوله کشی آب کندانسور، یک حلقه باز می باشد و نمونه ای از آن در شکل ۲ نشان داده شده است. این حلقه به جو راه دارد. سطح آب لوله های رفت و برگشت در زمانی که پمپ کار نمی کند تا حد سطح آب در تشت برج خنک کن است. اما زمانی که پمپ کار می کند باید بر تلفات اصطکاکی غلبه کرده و آب را تا بالای حلقه ببرد. لوله های آب کندانسور معمولا عایقکاری نمی شوند چون بهره و یا تلفات حرارتی ناچیز بوده و تعریق لوله پیش نخواهد آمد. معهذا اگر لوله ها در معرض شرایط آب و هوایی مناطق سردسیر قرار گیرند باید آنها را عایقکاری و مجهز به لوله های tracer کرد تا از یخ زدگی جلوگیری شود.
پمپهای آب سرد : غالبا از پمپهای سانتریفوژ در مدار آب کندانسور و برج و مدار آب سرد سیستم سرمایش استفاده می شود. این پمپها را می توان از انواع خطى (inline) و یا مستقر شونده روی فونداسیون انتخاب نمود. انتخاب اندازه و ظرفیت پمپها باید با توجه به هد دینامیک سیستم و نسرخ جریان مورد نیاز صورت بگیرد. البته توجه کافی به هد خالص مکشی مثبت یا NPSH نیز باید مبذول گردد. مسئله NPSH معمولا در پمپهای برج جدی تر است. پمپها معمولا به گونه ای استقرار داده می شوند که تخلیه آنها به داخل مبدلهای حرارتی چیلر صورت گیرد. در طراحی های مدرن به منظور بالا بردن ضریب اطمینان سیستم از چ ندین پمپ استفاده می شود. شیوه های مرسوم عبارتند از یک پمپ با ظرفیت کامل به صورت آماده باش و یا این که جریان طراحی توسط دو پمپ تأمین شده و پمپ سوم با ظرفیت نصف بار به صورت آماده باش قرار می گیرد. اگر چندین پمپ را به صورت موازی به کار می برید، حتما در خروجی هر پمپ یک شیر یک طرفه نصب کنید تا از به اصطلاح "اتصال کوتاه " جریان و طی طریق اشتباه آن جلوگیری به عمل آید.
برج های خنک کن : برجهای خنک کن همراه با چیلرهای خنک شونده با آب مورد استفاده قرار می گیرند. چیلرهای هواخنک نیاز به برجهای خنک کن ندارند. یک برج خنک کن حرارت جمع شده از ساختمان به علاوه کار تراکمی چیلر را می زداید. از آنجا که اختلاف دمای معمول (ولی نه اجباری) ۱۰ درجه فارنهایت است، دبی آب برج خنک کن باید 3 گالن در دقیقه به ازای هر تن برودتی باشد که از مقدار 2.4 گالن در دقیقه به ازای هر تن مربوط به آب سرد و اواپراتور بیشتر است. بالاتر بودن دبی مورد نیاز برج خنک کن برای زدودن گرمای حاصل از کار تراکمی چیلر می باشد. .
برجهای خنک کن تفاوت اساسی با خنک کننده های مدار بسته دارند چون برجهای خنک کن برخلاف خنک کننده های مدار بسته که گرما را به صورت حرارت محسوس دفع می کنند، گرما را به صورت حرارت نهان می زدایند. شرایط محیطی طراحی را ۹۵ درجه فارنهایت حباب خشک و ۷۸ درجه فارنهایت حباب مرطوب در نظر بگیرید. اگر از خنک کننده های مدار بسته استفاده شده باشد، آب کندانسور باید گرم تر از حباب خشک محیطی (که معمولا حدود ۱۰ درجه فارنهایت بالاتر بوده و با معادل 105 درجه فارنهایت است) باشد. این امر باعث می شود تا فشار کندانسور چیلر افزایش یافته و توان بیشتری برای سرد کردن بطلبد. خنک کننده های مدار بسته، بزرگتر از برجهای خنک کن هم ظرفیت هستند و قرار دادن آنها بر روی پشت بامها با دشواری همراه می باشد. از برجهای خنک کن تمام آب کندانسور را طی فرایندی که به ریزش آبشار شباهت دارد مستقیما در معرض هوای محیطی قرار می دهند و معمولا حدود ۱٪ جریان طراحی آب کندانسور در این فرایند تبخیر می گردد. انرژی نهان لازم برای تبخیر آب باعث کاهش دمای محسوس آب باقیمانده می شود. این فرایند بیشتر به دمای حباب مرطوب محیطی (در این مثان ۷۸ درجه فارنهایت) متکی است تا دمای حباب خشک. شرایط استاندارد ARI در بار کامل مبتنی بر دمای ۸۵ درجه فارنهایت آب ورودی کندانسور و دبی ۳ گالن در دقیقه به ازای هر تن می باشد. دماهای پایین تر آب کندانسور در مناطقی با دماهای پایین حباب مرطوب قابل حصول می باشد.
بارها : کویلهای آب سرد برای انتقال حرارت از هوای ساختمان به آب سرد مورد استفاده قرار می گیرند. این کویلها را می توان در داخل هواساز فن کویل ها، واحدهای القایی و سایر تجهیزات قرار داد. هوا با عبور از روی این کویلها خنک شده و رطوبت آن زدوده می شود. دمای آب سرد در طول این فرایند افزایش می یابد. بارهای فرایندی می توانند با شیوه های مختلفی گرما را به آب سرد دفع کنند. یکی از بارهای معمول فرایندی، پوششهای خنک کننده در ماشین آلاتی چون تجهیزات قالبگیری تزریقی می باشد. در این کاربرد، آب سرد گرمای محسوس فرایند را به خود جذب می کند.
کنترلها : دو پارامتر در حلقه های آب سرد باید مورد توجه قرار گیرند؛ دما و جریان. دمای رفت حلقه توسط چیلر کنترل می شود. واحد کنترل کننده در چیلر، دمای آب سرد رفت را مورد پایش دقیق قرار داده و آن را در محدوده ظرفیتی چیلر حفظ می کند. دقت چیلر در حفظ نقطه تنظیم (ست پوینت) به نوع چیلر، کیفیت کنترل کننده کنترل کننده های DDC با حلقه PID بهترین گزینه خواهند بود)، زمانهای سیکل کاری کمپرسور، حجم سیال موجود در سیستم و سایر عوامل بستگی دارد. سیستمهایی با بارهای سریع التغيير و بالاخص بارهای فرایندی و حجمهای کم سیال (حلقه بسته) نیاز به ملاحظات ویژه ای دارند.
کنترل جریان سیستم با بار صورت می گیرد. به منظور حفظ و تأمین محیطی با شرایط مناسب برای ساکنان معمولا از شیرهای دو یا سه راهه استفاده می شود. شیرهای کنترل سه راهه (شكل ۳)، آب سرد را از درون و یا کنار کویل عبور می دهند تا شرایط مطلوب را به دست آورد. اگر تمامی نقاط مصرف و بارهای حلقه و شبکه لوله از شیر های سه راهه استفاده کنند، جریان آب سرد در سیستم ثابت خواهد بود. محدوده دما به طور مستقيم با بار در ارتباط است. بدین معنی که اگر اختلاف دمای طراحی آب سرد ۱۰ درجه فارنهایت باشد، هر ٪۱۰ افت بار سیستم معرف یک درجه فارنهایت کاهش اختلاف دما خواهد بود.
