انواع کندانسور و برج خنک کن

برای درک عملکرد کندانسورها و برج‌های خنک‌کننده، بهتر است ابتدا با یک مثال ساده از سیستم خنک‌کاری خودرو شروع کنیم. زمانی که بنزین در سیلندر موتور ماشین احتراق پیدا می‌کند، دمایی نزدیک به 2000 درجه سانتی‌گراد تولید می‌شود. اگر این گرمای زیاد به موقع دفع نشود، ممکن است به قطعات داخلی موتور آسیب جدی وارد شود.

برای جلوگیری از این مشکل، از آب به‌عنوان سیال خنک‌کننده استفاده می‌شود. این آب از مسیرهایی که اطراف سیلندر و سرسیلندر قرار دارند عبور کرده و گرمای موتور را جذب می‌کند. سپس از طریق لوله‌های لاستیکی، آب داغ به بخش بالای رادیاتور منتقل می‌شود.

در رادیاتور، با کمک جریان هوایی که توسط فن ایجاد می‌شود، گرمای آب به محیط منتقل شده و آب خنک می‌گردد. برای اینکه این فرایند به‌طور پیوسته و مؤثر انجام شود، از یک پمپ جهت به گردش درآوردن آب در سیستم استفاده می‌شود (مطابق با شکل 1-4).

همین منطق پایه، در مقیاس‌های بزرگ‌تر در سیستم‌های تبرید صنعتی، کندانسور و برج‌های خنک‌کننده به کار می‌رود.

 

 شکل 1ــ4ــ مسیر حرکت آب در جداره های موتور اتومبیل

در اواپراتور بر اثر تبخیر مبرد گرمای یخچال جذب مبرد می‌شود، همچنین در کمپرسور بر اثر تراکم گاز مبرد دمای آن افزایش می یابد لذا برای دفع گرمای جذب شده در اواپراتور و گرمای حاصل از تراکم مبرد در کمپرسور از انواع کندانسور استفاده می شود.

1ــ4ــ انواع کندانسور

کندانسورها به 3 دسته تقسیم می شوند (شکل 2ــ4 الف، ب و ج).

1. کندانسور هوایی
2. کندانسور آبی
3. کندانسور تبخیری

 

 شکل 2ــ4ــ انواع کندانسور آبی، هوایی و تبخیری

در بیشتر واحدهای بسیار بزرگ و برخی از واحدهای کوچک، از کندانسور خنک شونده با آب استفاده می شود. کندانسورهای خنک شونده با هوا بیشتر در واحدهای کم ظرفیت (20 تن و کمتر) به کار می‌روند. اکنون کندانسورهای خنک شونده با هوا در سیستم های تهویه مطبوع خانگی و در جاهایی که ارزش آب بسیار زیاد است یا دفع فاضلاب دشوار است یا در مواردی که نمک های موجود در آب از لحاظ تشکیل قشر رسوبی مشکل جدی ایجاد می کنند دستگاه هایی استاندارد محسوب می شوند. بسیاری از سیستم های هوایی که ظرفیت متوسط تا بسیار زیاد دارند برای مناطق کم آب یا جاهایی که آب بها گران است یا در محل هایی که آب از کیفیت خوبی برخوردار نیست به کار برده می‌شوند.

1ــ1ــ4ــ کندانسور خنک شونده با هوا (هوایی): در سال های اخیر استفاده از کندانسورهای هوایی در سیستم های تهویه مطبوع متوسط و کوچک به شدت افزایش یافته است. مهم ترین دلیل این استقبال احتمالا این است که این نوع کندانسورها به تعمیر و نگهداری زیادی نیاز ندارند.

این عامل معمولا عوامل دیگری مانند هزینه برق مصرفی، دوام و عمر کمپرسور و بازده سیستم را دست کم در نظر بسیاری از صاحب خانه ها و خریداران سیستم تهویه مطبوع کوچک تحت الشعاع قرار می دهد. بیشتر واحدهایی که توان آنها از HP10 کمتر است با هوا خنک می شوند. در واحدهای تا HP20 استفاده از دستگاه های خنک شونده با هوا معمول است و در واحدهای خیلی بزرگ مجهز به کندانسورهای خنک شونده با هوا را برای آب و هوای بیابانی به کار برده اند.

 انواع کندانسورهای هوایی

1. کندانسور هوایی با جریان طبیعی
2. کندانسور هوایی با جریان اجباری

انواع کندانسورهای هوایی با جریان طبیعی در دو نوع صفحه و لوله و یا میله و لوله ساخته می شوند. کندانسور میله و لوله از یک لوله مارپیچ مسی یا فولادی ساخته می شود که بر روی آن تعداد زیادی میله جوش داده شده است تا باعث افزایش میزان انتقال گرما از کندانسور شود. . (شکل 3ــ4)

 شکل 3ــ4ــ کندانسور هوایی با جریان طبیعی

در انواع کندانسور های هوایی با جریان هوایی اجباری لوله های مسی از بین تعداد زیادی پره آلومینیومی عبور می کند تا سطح تبادل گرما را به مقدار قابل توجه ای افزایش دهد. همچنین از یک یا چند فن برای به گردش درآوردن هوا استفاده می شود. (شکل 4ــ4)

 شکل 4ــ4ــ کندانسور هوایی با جریان هوایی اجباری

کندانسورهای هوایی معمولا  برای کار با دمای تقطیر حدود 17 تا 22 درجه سانتی گراد بالاتر از دمای محیط طراحی شده اند.

یکی از معایب عمده دستگاه های خنک شونده با هوا همین است، زیرا در آب و هوای گرم که دمای محیط بعدازظهرها به C 34 نیز می رسد، دمای تقطیر ممکن است 66 درجه سانتی گراد باشد که مطابق با فشار psia942 برای 12ــ R و یا فشار psia963 مربوط به 22ــ R است. توان الکتریکی مورد نیاز برای تأمین این چنین فشارهایی بسیار بالا می باشد. در چنین شرایطی دمای آب احتمالا از 42 درجه سانتی گراد بالاتر نمی رود. دمای تقطیر در کندانسور آبی با فشار تقطیر حدود psia310 برای 21ــ R یا با فشار تقطیر حدود psia210 برای 22ــ R در حدود 38 درجه سانتی گراد است. مزایای کندانسور آبی در اینجا کاملا روشن می شود که عبارت از مصرف برق کمتر و دوام و عمر بیشتر کمپرسور است.

2ــ1ــ4ــ کندانسور آبی:

 این کندانسورها در جاهایی که آب مناسب و فراوان و ارزان در اختیار باشد به صرفه ترین کندانسور محسوب می شود. مسائل خوردگی ناشی از آب یا دفع فاضلاب را باید در نظر گرفت. برای واحدهای 5 تنی و بزرگ تر که به آب زیادی نیاز است معمولا از یک برج خنک کن استفاده می شود.

انواع کندانسور آبی

کندانسورهای آبی در سه نوع ساخته می‌شوند:

• پوسته و لوله
• پوسته و کویل
• لوله داخل لوله

در انواع کندانسور های آبی پوسته و لوله و کندانسورهای پوسته و کویل گاز داغ از بالا وارد پوسته شده و پس از تبادل گرما با آب سرد داخل لوله یا کویل تقطیر شده و مایع مبرد از پایین پوسته خارج می شود. آب داخل لوله ها نیز پس از جذب گرمای مبرد یا در رودخانه و چاه ریخته می شوند و یا توسط برج خنک کن خنک شده و مجددا  مورد استفاده قرار می گیرند. (شکل 5  ــ4)

• کندانسور پوسته و لوله
• کندانسور پوسته و کویل

 

الف) کندانسور پوسته و لوله

 

ب) کندانسور پوسته و کویل

شکل 5 ــ4ــ کندانسور پوسته و لوله و پوسته و کویل

آب سرد در لوله داخلی کندانسور دو لوله ای جریان داشته و گاز داغ نیز در لوله خارجی به گردش درآمده و پس از تبادل گرما تقطیر و از سمت دیگر کندانسور خارج می شود. (شکل 6ــ4)

 

 شکل 6 ــ4ــ کندانسور دو لوله ای

هرقدر مقدار آبی که با دمای معین از کندانسور گردش می کند بیشتر باشد، فشار تقطیر پایین تر می رود و بدین ترتیب هزینه برق کمتر و عمر و دوام کمپرسور بیشتر می شود ولی در صورتی که آب گران قیمت باشد نقطه موازنه ای باید تعیین شود که در مجموع بهترین شرایط اقتصادی کار سیستم را تامین کند.

پس از مدتی در اثر گردش آب بر روی جداره داخلی لوله ها و کویل کندانسور آبی رسوب ایجاد می‌شود که مانع از انتقال گرما بین گاز مبرد و آب خواهد شد. برای رسوب گیری از اسید با غلظت پایین استفاده می شود. برای این کار مطابق شکل 7ــ4 داخل مخزن اسید ریخته شده و توسط یک پمپ آن را در داخل لوله های کندانسور به گردش در می آورند تا سبب جدا شدن رسوب های داخل لوله شوند. در زمان رسوب گیری شیرهای ورود و خروج آب به سمت برج خنک کن در حالت بسته قرار می گیرند.

 

 شکل 7ــ4ــ نحوه انتقال مخزن رسوب گیر به کندانسور آبی

در انواع کندانسور آبی گرمای ماده سرمازا به وسیله آب جذب می شود و سپس گرمای آب به یکی از روش های زیر دفع می شود.

• در صورت امکان تأمین آب تازه با قیمت ارزان، آب گرم خروجی از کندانسور وارد رودخانه یا دریاچه شده و دوباره آب سرد تازه وارد کندانسور می شود.
•  با وارد کردن آب خروجی از انواع کندانسور به یک چاه خشک، آب گرم به زمین منتقل می شود. در جاهایی که ماسه ای باشد و آب را بکشد، می توان چاهی به قطر 64 سانتی متر و عمق 100 متر حفر کرد و دیواره آن را آجرچینی کرد و سپس آن را برای دفع کامل آب گرم کندانسورهای 3 تا 10 تنی به کار برد. آب بها در بسیاری از مناطق عامل تعیین کننده ای است و اغلب کشورها اجازه نمی دهند که آب ضایع شود.
• به وسیله برج خنک کن، استخر پاشش، گرمای آب به هوای اطراف منتقل می شود. برای بسیاری از تأسیسات سومین مورد بهترین روش است. برج خنک کن و استخر پاشش آب را در تماس کامل با هوای درحال وزش قرار می دهد.

شکل 8-4  یک برج خنک کن را نشان می دهد. آب از طریق انتقال گرمای محسوس که دمای خشک هوای در حال وزش را بالا می برد تا حدودی خنک می شود ولی دلیل اصلی خنک شدن آب مبادله گرمای نهان تبخیر بخش کوچکی از آن است.

 

 شکل 8-4  برج خنک کن

پایین ترین دمایی که  می توان بر اثر خنک کردن آب در برج خنک کن به آن رسید معادل دمای مرطوب هواست. در عمل این دما هرگز دست نیافتنی نیست و معمولا دمای نهایی آب حدود 21 درجه سانتی گراد و بالاتر از دمای تر هوا در همان زمان است. در فصل تابستان بر اثر اتلاف 9/0% آب در گردش، معمولا  18 درجه سانتی گراد سرمایش حاصل می شود.

انواع تقسیم‌بندی برج‌های خنک‌کننده

برج‌های خنک کن را با توجه به عوامل مختلف تقسیم بندی می‌کنند، از نظر نحوه برخورد جریان آب و هوا به دو دسته:

1. جریان هوای متقاطع
2. جریان هوای مخالف

تقسیم بندی می‌شود.

(شکل 9ــ4)

 

 شکل 9ــ4ــ انواع برج خنک کن از نظر برخورد جریان آب و هوا

برج های خنک کن از نظر جنس بدنه نیز به دو دسته:

1. بدنه آهنی
2. فایبرگلاس

تقسیم بندی می‌شوند. (شکل 10ــ4)

 

 الف) برج خنک کن از جنس آهن                                                             ب) برج خنک کن از جنس فایبرگلاس

شکل 10ــ4ــ انواع برج خنک کن از نظر جنس بدنه

درون برج های خنک کن که از بدنه آهنی ساخته می شود از بالا به پایین و در فواصل مساوی تعداد زیادی تخته به صورت افقی قرار می گیرد. توسط پمپ آب از کف برج به بالا منتقل شده و بر روی چوب ها پاشیده می شود. هم زمان با ریزش آب از تخته های بالا بر روی تخته های پایینی مقداری از ذرات آب تبخیر شده و امکان سرد شدن آب را فراهم می کنند. در برج های خنک کن فایبرگلاس به جای تخته های چوبی از پکینگ های CVP استفاده می شود. این پکینگ ها  با افزایش سطح تماس جریان آب با هوا و همچنین کاهش سرعت جریان آب در خنک سازی جریان آب نقش مؤثری دارند. پکینگ‌ها به صورت شبکه ای ساخته می شوند و از عمر طولانی برخوردارند.در صورت کاهش دمای هوای بیرون در فصل زمستان کندانسورهای آبی مشکل کاهش بیش از حد فشار روی مبرد قبل از شیر انبساط دارند.

زمانی که درجه حرارت آب به C 24  افت نماید در اولین مرحله برای کاهش ظرفیت برج خنک کن و جبران افت فشار مایع مبرد، فن برج را خاموش می کنیم. در مرحله دوم از طریق بای پاس کردن آب برج به وسیله شیرهای دوراهه و سه راهه شکل 11ــ4 و 12ــ4 ظرفیت برج را کم می کنیم. در هر کدام از این روش ها درجه حرارت آب خروجی از برج توسط سنسور حس می شود. اگر دما به پایین تر از نقطه تنظیم (معمولا بین 15 تا 20 درجه سانتیگراد) برسد.

شیر بای پاس عمل نمود. تمام یا قسمتی از آب برج بای پاس می شود تا فشار روی مبرد در کندانسور و قبل از شیر انبساط در حد قابل قبول ثابت بماند. با توجه به بحث بای پاس نمودن برج، اگر احتمال یخ زدگی آب برج وجود داشته باشد از طریق المنت حرارتی یا تزریق بخار مانع از آن می شویم. شکل 13ــ4 شیر دو راهه کندانسور و ساختمان و طرز کار آن را نشان می دهد.

 

 شکل 13ــ4ــ شیر دوراهه کندانسور

در برج خنک کن با بخار شدن بخشی از آب در جریان سیرکوله برج، بقیه آب خنک می شود و میزان مصرف آب تقریبا با این میزان بخار شدن آب برابر است. برای تبخیر شدن یک گالن آب حدود Btu8700 گرما لازم است. به عبارت دیگر با تبخیر هر گالن آب حدود Btu7800 گرما از برج دفع می شود. حال فرض کنیم ظرفیت برج خنک کن ton100 تن تبرید باشد در این صورت:

 

با تقسیم این عدد به 7800 میزان مصرف آب در ساعت 138 گالن یعنی حدود 525 لیتر خواهد بود. البته این عدد با لحاظ نمودن راندمان تبخیر 100 درصدی برای برج می باشد که در عمل راندمان برج بین 60 الی 80 درصد خواهد بود لذا تبخیر آب به ازای هر تن سرمایی را حدود 600 لیتر در ساعت در نظر می گیرند.

 3ــ1ــ4ــ کندانسور تبخیری:

کندانسور تبخیری تلفیقی از انواع کندانسور هوایی، انواع کندانسور آبی و برج خنک کن می باشد. (شکل 14ــ4)

 

شکل 14ــ4ــ کندانسور تبخیری

نحوه عملکرد کندانسور تبخیری

طرز کار کندانسور تبخیری طی 4 مرحله به شرح زیر می‌باشد.

1. بخار متراکم و داغ ماده سرمازا از کمپرسور وارد کویل داخل کندانسور تبخیری شده و گرمای آن به آبی که بر روی کویل پاشیده می شود انتقال می یابد. در این حالت کویل دائما با پاشش آب خیس نگه داشته می شود.
2. بخشی از آب با گرمای ماده سرمازا تبخیر می شود و گرمای نهان تبخیر بسیار بالای آب اثر سرمایشی و تقطیر مناسبی ایجاد می کند و بخش کوچکی از آب بخار شده را سرد و مایع می کند.
3.  آب تبخیر نشده با جذب گرما از ماده سرمازا گرم می شود و بنابراین اگر مطابق مرحله بعدی خنک نمی شد از لحاظ ایجاد سرمایش بیشتر دیگر قابل استفاده نبود.
4. در اسن قطعه، هوا از میان ذرات آبی که از شیپوره‌های پاشش آب در حال ریزش هستند عبور می‌کند. با تبخیر بخشی از این آب، سرمایش مناسبی ایجاد می‌شود. در صورتی که بادزن (فن) و شیپوره‌های پاشش آب به‌درستی کار کنند، دمای آب در گردش چند درجه پایین‌تر از دمای مرطوب هوای خروجی خواهد بود. معمولاً حدود ۵٪ از آب در گردش تبخیر می‌شود که این کاهش، توسط یک شیر شناور جبران شده و آب جبرانی به مخزن اضافه می‌شود.
5. تبخیر بخشی از آب، باعث افزایش غلظت نمک و املاح در آب باقی‌مانده می‌شود؛ بنابراین تصفیه و نمک‌زدایی آب ضروری است. در صورتی که سرریز به‌صورت دائم و با دبی کم طراحی شود، از افزایش بیش از حد غلظت نمک در مخزن جلوگیری خواهد شد.
6. کندانسور تبخیری به‌صورت واحدهای تکی برای ظرفیت‌های تا ۱۰۰ تن تبرید ساخته می‌شود. در مواردی که ظرفیت بالاتری مورد نیاز باشد، از چند واحد به‌صورت ترکیبی استفاده می‌شود. البته بیشترین کاربرد این نوع کندانسور برای ظرفیت‌های بین ۱۰ تا ۵۰ تن تبرید است.
7. استفاده از کندانسور تبخیری زمانی ضرورت پیدا می‌کند که منابع آب محدود یا پرهزینه باشند، دفع آب زائد مشکل باشد، یا استفاده از برج خنک‌کن امکان‌پذیر نباشد. این نوع کندانسور فضای کمتری اشغال می‌کند، زیرا کندانسور ماده سرمازا و تجهیزات خنک‌کنندهٔ آب در یک محفظه یکپارچه تلفیق شده‌اند.

• شکل 15ـ4 اجزا یک کندانسور تبخیری را نشان می‌دهد
• شماره 1 و 2 محل ورود و خروج آب خنک شونده
• شماره 3 محل جمع شدن آب در کف آن
• شماره 4 افشانک‌های پاشش آب از بالای این قطعه
• شماره 5 فن کندانسور را نشان می دهد

 شکل 15ــ4ــ اجزا کندانسور تبخیری

 

جدول 16ــ4ــ ظرفیت واحد تقطیر بر حسب (Wk)

 

۲-۴- انتخاب کندانسینگ یونیت (Condensing Unit)

برای انتخاب مدل مناسب کندانسینگ یونیت، از جدول 16-4 استفاده می‌شود. در این جدول، با مشخص بودن ظرفیت تقطیر واحد بر حسب کیلووات (kW) و همچنین تعیین دمای مکش گاز کمپرسور، می‌توان مدل مناسب کندانسینگ یونیت را انتخاب کرد.

به‌منظور محاسبه دمای مکش، لازم است اطلاعات زیر در اختیار باشد:

1. دمای سالن نگهداری محصول (It): این دما بسته به نوع محصول تعیین می‌شود.

2. رطوبت نسبی سالن: که آن‌ هم بر اساس نوع محصول موردنظر مشخص می‌گردد.

3. اختلاف دمای بین هوای سالن و ماده مبرد داخل کویل اواپراتور (TD): که در طراحی نقش تعیین‌کننده دارد.

4. نوع اواپراتور از نظر جریان هوا: اجباری یا طبیعی

با توجه به رطوبت نسبی سالن سردخانه و نوع جریان هوا در اواپراتور، می‌توان با مراجعه به جدول 17-4 مقدار مناسب TD (اختلاف دما) را به‌دست آورد.

پس از تعیین TD، دمای مبرد داخل اواپراتور محاسبه می‌شود. از این طریق، با در نظر گرفتن افت فشار و شرایط سیستم، دمای مکش کمپرسور محاسبه شده و نهایتاً مدل مناسب کندانسینگ یونیت مشخص می‌گردد.

• Teــ دمای مکش کمپرسور (معادل دمای جوش مبرد)
• tiــ دمای سالن
• TDــ اختلاف دمای سالن و ماده مبر

نحوه انتخاب مدل مناسب کندانسینگ یونیت بر اساس جدول 16-4

جدول 17ــ4ــ تعیین TD سردخانه برحسب تغییرات رطوبت نسبی اختلاف دمای هوای سالن و ماده مبرد جریانی در داخل کویل اواپراتور(TD)

 پس از تعیین دمای مکش کمپرسور و مشخص بودن ظرفیت واحد تقطیر (بر حسب کیلووات)، می‌توان با مراجعه به جدول 16-4 مدل مناسب کندانسینگ یونیت را انتخاب کرد.

برای مثال، فرض کنید ظرفیت واحد تقطیر 14 کیلووات (kW) بوده و دمای مکش کمپرسور منفی 14 درجه سانتی‌گراد باشد. در این حالت ابتدا باید در ردیف بالای جدول، نزدیک‌ترین دمای مکش موجود یعنی منفی 13.5 درجه سانتی‌گراد را انتخاب کنیم. سپس در این ستون، به سمت پایین حرکت کرده تا به عددی نزدیک یا برابر با ظرفیت موردنظر (14 کیلووات) برسیم.

در این مثال، سه مدل مختلف می‌توانند این ظرفیت را تأمین نمایند:

• 12-AM/570-TC

• 12-WM/570-TC

• 22-HW/900-TC

این مدل‌ها برای دمای مکش منفی 13.5 تا منفی 12 درجه سانتی‌گراد و ظرفیت 14 کیلووات مناسب هستند.

نوع مدل انتخابی نیز به شرایط اقلیمی و نوع کندانسور بستگی دارد:

• از مدل 12-AM/570-TC در مناطقی که امکان استفاده از کندانسور هوایی وجود دارد استفاده می‌شود.

• مدل‌های 12-WM/570-TC و 22-HW/900-TC برای شرایطی مناسب هستند که استفاده از کندانسور آبی ترجیح داده می‌شود.