بررسی کندانسور چیلر

در این مطلب به بررسی کندانسور(Condenser) در چیلرهای خنک کننده پرداخته شده است.

سرفصل های مورد بحث در این مطلب شامل موارد زیر است:

بررسی عملکرد کندانسور

انتقال حرارت در کندانسور

پدیده رسوب گرفتگی کندانسور

پیشنهاد می شود قبل از مطالعه این مطلب، مطالب پیشین در مورد مقدمات چیلرجهت داشتن پیش زمینه مناسب در مورد این موضوع مطالعه شود.

مقدمه

همانطور که در شکل 1 مشاهده می شود، کندانسور در سیکل تبرید (Refrigeration Cycle)داخل چیلر دقیقا بعد از کمپرسور (Compressor) و قبل از شیر فشارشکن (Expansion Valve) قرار می گیرد.

شکل1 چرخه تبرید تراکمی داخل چیلر

در شکل زیر یک نمونه چیلرواقعی نشان داده شده است. همانطور که مشاهده می شود، کندانسوربرخلاف اواپراتور (Evaporator) عایقکاری نشده است. دلیل عایقکاری اواپراتور همانطور که در مطلب مربوط به بررسی اواپراتورچیلر مطرح شد، جلوگیری از جذب گرمای محیط داخل موتورخانه توسط آب سرد تولید شده درون اواپراتور است که هزینه و انرژی زیادی برای تولید آن مصرف شده است.

در صورتی که آب داغ ورودی به کندانسور قرار است که گرمای خود را به محیط اطراف از دست بدهد، بنابراین عایقکاری آن ضرورتی ندارد. تنها در صورتی عایق کاری کندانسور الزامی است که محیط داخل خود موتورخانه نیز تحت عملیات سرمایش قرار داشته باشد. در این صورت نباید گرمایی از کندانسور به هوای موتورخانه انتقال پیدا کند.

شکل 2

بررسی عملکرد کندانسور

همانطور که در شکل 3 مشاهده می شود، آب سردی که در ساختمان گردش می کند گرمای ناخواسته درون ساختمان را جذب کرده و به اواپراتورمنتقل می کند. درون اواپراتور این گرما به مبردمنتقل شده و باعث تبخیر آن می شود. سپس بخار مبرد پس از عبور از کمپرسور و افزایش فشار و دما آن به کندانسور منتقل می شود.

تمام گرمای جذب شده از ساختمان و گرمای ناشی از کار کمپرسور درون کندانسور از مبرد به جریان آب ثانویه منتقل می شود. همانطور که مشاهده می شود، جریان آب پس از گرم شدن داخل کندانسور به وسیله پمپ به برج خن کن (Cooling Tower) منتقل شده و گرمای خود را به هوای اطراف دفع می کند.

آب گرم خارج شده از کندانسورو آب برگشتی از برج خنک  کن معمولا اختلاف دمایی در حدود 5 درجه سانتیگراد دارند که این میزان اختلاف دما بستگی به کاربرد و شرایط محیطی میتواند اندکی تغییر کند.

شکل 3

با توجه به شکل زیر، اجزای کندانسورشامل محفظه (Shell) استوانه ای شکل، تیوب (Tube) های حامل جریان آب که در طول محفظه ادامه دارند، صفحه نیمکره شکل بسته در انتهای استوانه، صفحه نیمکره شکل که در ابتدای محفظه قرار دارد و ورودی و خروجی آب می شود.

انتقال حرارت در کندانسور

آبی که در برج خنک کن سرد شده است از ورودی کندانسورکه در نیمه بالایی استوانه قرار دارد وارد تیوب ها می شود. در همین حین بخار داغ و پرفشار مبرد که از کمپرسور خارج شده است، از طریق لوله موجود در بالای استوانه بر روی تیوب ها پاشیده می شود.

با پاشش بخار مبرد بر روی تیوب های سرد، گرمای خود را به آب درون تیوب ها منتقل می کند و به صورت مایع در کف کندانسور بصورت یک حوضچه جمع می شود و از خروجی پایین کندانسوربه سمت شیر فشار شکن حرکت می کند.

آب درون تیوب ها پس از طی کردن یک طول محفظه، به دیواره گرد انتهای محفظه برخورد می کند و دوباره وارد تیوب های برگشت می شود. در خروجی کندانسور، جریان آب که گرمای مبرد را جذب کرده و افزایش دما پیدا کرده است به وسیله یک پمپ به سمت برج خنک کن فرستاده می شود تا این سیکل تکرار شود.

در کل طول عملیات انتقال حرارت، مبرد و جریان آب از یکدیگر کاملا جدا هستند و هیچگاه باهم مخلوط نمی شوند.

شکل 4

نکته مهمی که باید در مورد دمای مبرد و آب در نظر گرفته شود این است که دمای بخار مبرد ورودی به کندانسورباید اختلاف نسبتا زیادی با دمای جریان آب ورودی به کندانسورداشته باشد تا عمل انتقال حرارت به خوبی صورت پذیرد.

لحظه ای که بخار مبرد با دیواره تیوب تماس پیدا می کند دمای آن در حالتی که هنوز بصورت گاز است، کاهش می یابد تا به دمای اشباع (Saturation Temperature) در فشار کندانسور برسد و سپس بصورت دما ثابت تغییر فاز داده و به مایع تبدیل می شود. از طرفی جریان آب داخل تیوب نیز با طی کردن مسیر افزایش دما پیدا می کند.

در صورتی که این اختلاف دماها در هنگام طراحی سیستم رعایت نشود و دمای مبرد و جریان آب بیش از حد مجاز به یکدیگر نزدیک شود و یا حتی هم دما شوند، دیگر عمل انتقال حرارت ادامه پیدا نخواهد کرد و عملا مقدار زیادی از ظرفیت چیلر کاهش پیدا می کند و باعث اتلاف مقادیر زیادی از انرژی می شود.

پدیده رسوب گرفتگی کندانسور

کندانسوریکه در این مطلب مورد بحث قرار گرفته است از نوع آب خنک (Water-Cooled Condenser) می باشد. همانطور که در توضیحات اشاره شد، برای خنک سازی آب در جریان درون این نوع کندانسور از برج خنک کن استفاده می شود.

بطور کلی عملکرد برج خنک کن به این صورت است که آب داغ خروجی از کندانسورتوسط پمپ به بالای برج خنک کن منتقل می شود و درون برج از بالا توسط چند نازل (Nozzle) به سمت پایین برج پاشیده می شود. آب در حین پاشش به سمت پایین با جریان هوای در حرکت از سمت پایین به بالای برج برخورد کرده و خنک می شود.

درصد نسبتا زیادی از گرمایی که آب از دست می دهد، بصورت تبخیر اتفاق می افتد. به این معنا که مقداری از قطرات آب داغ گرما را از بقیه قطرات می گیرند و بخار می شوند. این بخار قطرات به همراه جریان هوا از قسمت بالایی برج توسط فن به بیرون برج هدایت می شود.

بنابراین در هر چرخه به مقادیر رسوب آب افزوده می شود و این رسوبات به همراه جریان آب به کندانسورمنتقل می شود. همچنین به دلیل باز بودن چرخه، ناخالصی هایی نیز از محیط به آب منتقل می شود. تجمع رسوبات در مجاری کندانسورباعث رسوب گرفتگی (Fouling) کندانسورمی شود.

رسوب گرفتگی بسیار برای کندانسور و چیلر مضر است و تا حد امکان باید از رخ دادن آن جلوگیری کرد.

در شکل زیر قسمت ورودی یک کندانسورنشان داده است که صفحه ورودی آن برداشته شده است. دیده می شود که رسوبات ناشی از آب کندانسور بر روی کل صفحه نشست کرده است و این اتفاق بطور مشابه برای تمامی قسمت هایی که آب با آن برخورد دارد رخ می دهد.

رسوبات اغلب شامل ذرات نمک، املاح معدنی، کثیفی های داخل آب، باکتری ها و … است.

تشکیل رسوب روی دیواره داخلی تیوب های کندانسور باعث کم شدن قطر آن ها و در نتیجه کاهش ظرفیت عبور جریان آب می شود.

همچنین این لایه رسوب به صورت عایق گرمایی عمل کرده و نرخ انتقال حرارت بین آب و مبرد را کاهش می دهد. در شکل 6 مقایسه ای بین یک تیوب که دیواره داخلی آن دچار رسوب گرفتگی شده و یک تیوب تمیز و بدون رسوب دیده می شود. مشاهده می شود که در تیوب دارای رسوب نرخ انتقال حرارت نسبت به تیوب بودن رسوب کمتر است و دمای آب در مدت زمان و مسیر بلندتری به دمای مطلوب می رسد. برای جبران این تاخیر لازم است که چیلر کار بیشتری انجام دهد. این اثرات باعث افت عملکرد چیلر و مصرف انرژی بیشتر می شود.

روش معمول برای مقابله با این اتفاق، استفاده از ترکیبات شیمیایی مخصوصی است که باعث کنده شدن رسوبات از دیواره تیوب ها می شود. البته این کار به تنهایی کافی نیست و در مواردی که حجم رسوبات زیاد باشد، می توان از متخصصین این امر کمک گرفت که با استفاده از دستگاه های مخصوص، رسوب ها را از روی دیواره های کندانسور می تراشند.

شکل 5

شکل 6

منابع:

کارگشا، سامانه جامع صنعت ساختمان

دکتر محمدحسن سعیدی ؛ طراحی سیستم‌های تهویه مطبوع و تاسیسات مکانیکی؛ مهندس بهرنگ سجادی، انتشارات دانشگاه صنعتی شریف، تهران، جلد اول، ویرایش دوم، ۱۳۸۹.‌

جواد م.تهرانی؛ کتاب تاسیسات، جلد اول، ویرایش اول، 1377‌.‌

DamaTajhiz company; https://damatajhiz.com.2018

مطالب مرتبط:

آشنایی با سیستم های تامین آب کندانسور

سیستم های آب کندانسور