مزایا و معایب استفاده از کولرهای هوایی
یکی از روش های رایج جهت خنک نمودن مایعات استفاده از دو منبع مقرون به صرفه آب و هوا است. کولرهای هوایی بدلیل استفاده از هوا به عنوان سیال عامل خنک کننده دارای مزایا و معایبی نسبت به مبدل‌هایی که از آب برای خنک کنندگی استفاده می‌کنند، می‌باشند.
مزایا
- عدم نیاز به منبع آب
- کاهش هزینه بدلیل عدم استفاده از تجهیزات سیستم‌های انتقال آب
- خورنده نبودن هوا نسبت به آب و کاهش تاثیرات مربوطه
- رسوب گذاری بسیار ناچیز هوا نسبت به آب
- خطر ایجاد آلودگی در منابع آبی در صورت نشتی سیال خنک شونده وجود ندارد
- عدم ایجاد آلودگی در محیط زیست، رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و دریاها
- دسترسی آسان و نامحدود به هوا
- نصب آسان و هزینه‌های تعمیرات و نگهداری پایین
- دارای قابلیت طراحی برای انواع سیستم‌ها
معایب
- در محل نصب، جای زیادی را اشغال می‌کنند
- دارای سر و صدای زیادی هستند.
- بدلیل تغییر دمای هوا در شرایط جوی مختلف، نیاز به سیستم‌های کنترلی بیشتری دارند
- هوای بیشتری نسبت به آب برای یک بار گرمایی مشخص نیاز می‌باشد. (حدود ۴ برابر در جرم و ۳۲۰۰ برابر در حجم)
- دانسیته کم هوا نسبت به آب (در دما و فشار اتمسفر دانسیته آب ۸۰۰ برابر بیشتر از هوا است)
- حرارت ویژه کم هوا نسبت به آب (حرارت ویژه Specific Heat آب ۴ برابر بیشتر از هوا است)
- هدایت گرمایی کم هوا نسبت به آب (هدایت گرمایی Thermal Conductivity آب در دمای ۳۵ درجه سانتیگراد، ۲۳ برابر بیشتر از هوا است.
کنترل عملکرد یک کولر هوایی با تغییرات دما
تغییرات دما در فصول مختلف سال می‌تواند باعث تغییر در خنک کنندگی کولر هوایی شود که ممکن است مطلوب نباشد. بدین منظور برای کنترل شرایط دمایی مورد نیاز، از اجزاء و سیستم‌های کنترلی مختلفی استفاده می‌شود که در ادامه به معرفی آنها می‌پردازیم.
تجهیزات و عوامل موثر بر کارکرد با راندمان بالا
- استفاده از کرکره (Louver) به عنوان محافظ پوششی یا سقف در قسمت بالای لوله‌ها
- استفاده از فن‌هایی با Pitch متغیر، (پره‌های فن قابلیت تغییر شیب دارند)
- کم نمودن میزان انتقال حرارت سیال داخل لوله توسط کم نمودن میزان جریان هوا
- هدایت جریان سیال گرم درون لوله‌ها در دو جهت
- استفاده از گردش جریان هوای گرم در فصل سرما به جهت جلوگیری از انجماد سیال.
خصوصیات کرکره ها
- کرکره‌ها قابلیت کنترل زیادی دارند و این کنترل می‌تواند به صورت دستی یا اتوماتیک توسط موتورهای الکتریکی با سیستم‌های بادی برقرار شود.
- کرکره‌ها معمولا برای فن‌های با سرعت ثابت استفاده می‌شوند.
- در فن‌های با شیب متغیر، شیب پره‌های فن برای تامین جریان هوای مورد نیاز با توجه به دما و فشار سیستم تغییر می‌کند.
- زاویه پره وقتی دما افت پیدا می‌کند کاهش می‌یابد و این باعث می‌شود فن پایین تر قرار بگیرد.
- موتورهای هیدرولیکی می‌توانند سرعت فن را کاهش دهند. وقتی جریان هوای کمی مورد نیاز است، توان مصرفی فن نیز کاهش می‌یابد.
- گاهی اوقات به منظور کنترل انتقال حرارت در سیستم، به جای اینکه جریان هوا (به عنوان عامل خنک کننده سیال داخل لوله‌ها) کنترل شود، جریان سیال گرم داخل لوله‌ها کنترل می‌شود. این سیستم که به سیستم دو جریانه معروف است بدین صورت عمل می‌کند که یک نازل در انتهای قسمت هدر وجود دارد و این نازل جریان طبیعی سیال را عکس می‌کند و باعث هدایت جریان سیال گرم درون لوله‌ها در دو جهت می‌شود. در بعضی سیالات با ویسکوزیته بالا گاهی اوقات این تنها راه جلوگیری از انجماد سیال است.
- در آب و هوای سرد می‌توان با استفاده از گردش جریان هوای گرم، دمای سیستم را کنترل و از انجماد سیال جلوگیری نمود.
- گردش جریان هوای گرم، در سیستم‌های با فن متغیر و کرکره اتوماتیک بکار گرفته می‌شود.
انواع گردش جریان هوای گرم
- گردش هوای داخلی (Internal Recirculation)
- گردش هوای خارجی (External Recirculation)
گردش هوای داخلی :
در این نوع گردس هوا یک فن سرعت ثابت و یک فن سرعت متغیر با هم به کار می‌روند. در این حالت فن سرعت ثابت هوای نیمه ی پایین اتاقک را به جریان می‌اندازد و فن سرعت متغیر که با مد عکس کار می‌کند، (یعنی هوا را از بالا می‌مکد و به طرف پایین اتاقک می‌دمد)، هوای گرم بالای اتاقک که توسط فن اول به بالا رانده شده را با هوای سرد ورودی از بیرون، به طرف پایین اتاقک می‌دمد. کرکره‌های بالای اتاقک به طور اتوماتیک توسط سنسورهای دمای سیستم کنترل می‌شوند. اگر دمای سیستم، افزایش یابد کرکره‌ها باز می‌شوند. در حالت نرمال کرکره‌ها کاملا باز هستند و هر دو فن در حالت استاندارد سرعت کار می‌کنند.
این روش از گردش خارجی ارزان تر است و افت فشار کمتری دارد. با این حال در این روش به طور کامل نمی‌توان از یخ زدگی سیال جلوگیری نمود زیرا هیچ کنترل مناسبی بر روی دمای هوای خروجی وجود ندارد.
گردش هوای خارجی:
از دو فن با سرعت های متغیر و در حالت نرمال روی سرعت کم با قابلیت تغییر شیب استفاده می‌شود. کر کره توسط دمای سیال کنترل می‌شود. وقتی دمای هوای درونی به دمای سیال نزدیک شود، کرکره باز می‌شود. این تطابق‌ها توسط کنترل کننده‌ای که روی فن قرار دارد و دمای هوا را سینس می‌کند انجام می‌شود. حالت گردش خارجی برای کنترل دقیق دمای سیال و جلوگیری از انجماد آن کاربرد فراوان دارد.
عوامل تاثیر گذار بر طراحی و بهینه سازی کولر هوایی
- تعداد لوله ها
- طول لوله ها
- قطر لوله ها
- تعداد ردیف‌های لوله
- نوع پره و تعداد پره در هر اینچ طول لوله بسیار مهم می‌باشند
- افزایش هر کدام از عوامل فوق باعث افزایش هزینه ساخت مبدل می‌شود.
می‌دانیم که افزایش طول و یا تعداد لوله‌ها باعث افزایش سطح خارجی لوله‌ها و افزایش میزان انتقال حرارت می‌شود، اما افزایش افت فشار در لوله‌ها را نیز به همراه دارد. همچنین کاهش یا افزایش قطر لوله‌ها بر سرعت سیال درون لوله‌ها و متعاقب آن بر میزان انتقال حرارت و افت فشار تأثیر گذار است.
بنابراین واضح است که در طراحی مبدل خنک کننده هوایی با در نظر گرفتن این اثرات باید تعداد بهینه لوله‌ها تعیین شود همچنین نسبت طول به عرض یک مبدل هوایی می‌بایست منطقی باشد. برخلاف مایعات، گازها تراکم پذیر هستند که معمولا سبب افت فشار کمی در بخش هوایی این مبدل‌ها می‌شوند. از طرفی پایین بودن ضریب هدایت حرارتی گازها حتی در افت فشارهای کم موجب پایین آمدن ضریب انتقال حرارت کلی مبدل خواهد شد. به دلیل اجتناب ناپذیر بودن این کاهش در ضریب انتقال حرارت کلی، سازندگان و طراحان این نوع مبدل‌ها تلاش نموده اند تا با استفاده از لوله -های با سطوح پره دار و گسترده این محدودیت را جبران کنند و به همین خاطر است که از پره‌ها برای لوله‌ها استفاده می‌شود تا سطح بیشتری را در برابر هوا ایجاد کنند و ضریب انتقال گرمای نسبتا پایین هوا را جبران کنند.
اما همیشه پره دار نمودن تیوب‌ها نمی‌تواند کاربرد لازمه را داشته باشد و آن هنگامی است که ضریب انتقال گرمای سیال داخل لوله پایین بوده و دارای مقداری مشابه با ضریب انتقال گرمای هوای سمت تیوب بدون پره باشد، در این حالت تاثیر پره دار نمودن تیوب به میزان چشمگیری کاهش می‌یابد و شایسته است استفاده از تیوب بدون پره مورد بررسی قرار گیرد.
اهداف طراحی مبدل های حرارتی
- بار حرارتی مورد نیاز، مبادله شود.
- افت فشار محاسباتی برای طرف لوله کمتر از حداکثر افت فشار مجاز باشد.
- افت فشار محاسباتی برای طرف هوا کمتر از حداکثر افت فشار مجاز باشد.
- در طراحی یک مبدل بهینه، میزان توان و انرژی مصرفی مورد نیاز فن‌ها به عنوان یک عامل مهم همواره مورد توجه قرار می‌گیرد.
بهترین طرح در یک مبدل می‌بایست علاوه بر انجام انتقال حرارت مورد نیاز و داشتن کمترین افت فشار، هزینه‌های ثابت طراحی مبدل و هزینه‌های بهره برداری سیستم را به حداقل برساند.
روش‌های طراحی معمولا با پیچیدگی محاسباتی و انجام حدس و خطا و تکرار همراه است بطوریکه همواره برای رسیدن به یک طراحی مناسب باید در محدوده گسترده ای، عامل‌های هندسی و فیزیکی استفاده شده در طراحی، مورد ارزیابی قرار گیرند. همچنین در پاره‌ای از موارد رسیدن به یک طراحی بهینه دشوار است، زیرا ممکن است طراح با انتخاب‌های یکسانی روبرو شود.
معمولا برای هر فن از ۳ تا ۸ ردیف لوله‌های پره دار در یک مجموعه تیوب باندل استفاده می‌شود. که تعداد ۴ و یا ۶ ردیف کاربرد بیشتری دارد (بدلیل اینکه در این حالت بیشترین ضریب انتقال حرارت را با کمترین افت فشار می‌توان بدست آورد ). افزایش تعداد ردیف‌های لوله اگر چه با صرف هزینه همراه است اما باعث بهبودی راندمان مجموعه و کاهش قابل توجه توان مصرفی فن می‌شود.
استفاده از پره‌های با راندمان بالا و همچنین افزایش تعداد پره‌ها در یک اینچ طول لوله باعث بهبود عملکرد مجموعه، بالا بردن راندمان کولر هوایی و کاهش جزئی توان مصرفی فن می‌شود. انتخاب نوع پره و تعداد آن در واحد طول لوله گاها موجب صرف هزینه زیاد می‌شود.
بطور کلی در بهینه سازی یک کولر هوایی و کاهش دادن توان مصرفی فن می‌بایست بر روی افزایش تعداد لوله‌ها، افزایش طول لوله ها، افزایش تعداد ردیف‌های لوله، انتخاب نوع پره و تعداد پره در واحد طول لوله تحقیق و بررسی نمود.
لازم به ذکر است که با مطالعات انجام شده در این زمینه و با در نظر گرفتن هزینه مصرفی و بازگشت آن در مدت زمان سپری شده و مقایسه میزان کاهش انرژی توسط هر کدام از عوامل ذکر شده در بالا، این نتیجه بدست آمد که افزایش تعداد ردیف‌های لوله و انتخاب نوع پره مناسب، بعنوان بهترین عوامل جهت کاهش توان مصرفی فن مورد انتخاب قرار گیرند. که این طرح در پالایشگاه نفت تهران اجرا و مورد بهره برداری قرار گرفت و باعث کاهش ۲۹ درصدی توان مصرفی کولر هوایی (معادل ۱۳۰۰۰ دلار در سال) شد.
هر چه تعداد ردیف‌های لوله بیشتر شود میزان صرفه جویی انرژی نیز افزایش می‌یابد. در این میان، هزینه سرمایه گذاری و فضای محدود عملیاتی موجود در سایت، به عنوان عوامل محدود کننده به شمار می‌آیند که با توجه به آنها نقطه بهینه تعیین می‌گردد.
افزایش تعداد لوله‌ها و طول لوله ها، هر یک به تنهایی اگرچه باعث کاهش توان مصرفی می‌شوند اما در عمل باعث ایجاد تغییرات عمده در ابعاد و ساختار مبدل می‌شوند که اجرای آن تنها با تعویض مبدل و جایگزینی آن با مبدلی با طرح جدید امکان پذیر می‌شود.
