کولر هوایی یا مبدل حرارتی هوا خنک

ویلس کریر اولین مخترع کولرها در جهان

 تاریخچه کولر آبی

استفاده از تبخیر به عنوان روشی برای سرمایش هوا و کاهش دما به قدمت‌های بسیار کهن بر می گردد. در این مسیر تاریخی، انسان‌ها از تبخیر به عنوان یک راه حل ساده برای کاهش دما و افزایش راحتی در زندگی خود بهره می‌بردند. این مفهوم اولیه از تبخیر به عنوان یک وسیله سنتی برای مقابله با گرما و گرمای هوا شناخته می‌شود.

کولرها به عنوان یکی از ابداعات بزرگ در زمینه تهویه مطبوع و سرمایش هوا در طول تاریخ به تکامل پیوسته ای پیش‌روی داشته‌اند. از کولرهای ساده با استفاده از اصول تبخیر در دوران‌های اولیه تاریخ تا بهره‌برداری از تکنولوژی‌های پیشرفته در دنیای مدرن امروزی، این دستگاه‌ها به شکل متفاوتی تغییر نموده‌اند. حال به مرور تاریخچه کولر آبی خواهیم پرداخت

اولین ایده سیستم های سرمایشی در مصر باستان بوده است

آنها نی ها را به وسیله آب خیس نموده و در پشت پنجره ها آویزان می نمودندکه تبخیر این نی ها بر اثر جریان هوا باعث ایجاد باد خنک در آن محل می شد. در رم باستان نیز در خانه ها قنات هایی وجود داشت که با گردش هوا داخل ای چاه ها جریان هوای خنک ایجاد می شد. اما نشانه اعلاء سیستم خنک کننده در کشور ایران شکل گرفته است. در ایران با ساخت بادگیر ها جریان هوا را برای خانه های خود ایجاد می نمودند.

اختراع اولین کولر آبی تاریخچه کولر :

یکی از اختراعاتی که ابتکارات در زمینه کولرهای تبخیری را شروع نمود، اختراع ویلیس هوویل در اوایل قرن بیستم بود. ویلیس هوویل این نام را به کولرهای تبخیری داد که از آب به عنوان وسیله‌ای برای خنک نمودن هوا استفاده می‌نمودند. این کولرها معمولاً از پمپ‌ها برای انتقال آب به پدهای خنک‌کننده استفاده می‌نمودند. سپس با تبخیر آب از سطح پدها، هوا خنک می‌شد. این نخستین نسخه‌های کولرهای تبخیری، از اصول تبخیر آب به عنوان یک روش کارآمد برای سرمایش هوا لستفاده می نمودتد.

در نتیجه، تاریخچه کولرهای تبخیری با شروع اولین تلاش‌های انسان برای کنترل دما و افزایش راحتی در محیط‌های گرم و خشک شروع شد. این ابتکارات ابتدایی نقطه عطفی در توسعه تکنولوژی کولرهای تبخیری بوده‌اند که به سرمایش هوا در مناطق گرم و خشک بهبود می‌بخشند. از آن زمان، تکنولوژی‌های پیشرفته‌تر و موثرتر برای کولرهای تبخیری توسعه یافته‌اند.

کولر آبی مدرن کی به وجود آمدند

تا دهه‌ی 1930، کولرهای تبخیری از ماهیت ساده‌ای برخوردار بودند و اصول مبتنی بر تبخیر آب برای سرمایش هوا را دنبال می‌نمودند. این اصول ابتدایی از تبخیر آب برای سرمایش هوا در تکنولوژی کولرهای تبخیری مورد استفاده قرار می‌گرفتند.

دوران مدرن:

در دهه‌ی 1930، توسعه تکنولوژی و علم تداوم یافت و بهبود کولرهای تبخیری به یک مرحله جدید و مدرن رسید. در این دوران، مهندسان به ایده‌های جدیدی برای بهبود کولرهای تبخیری پرداختند. این بهبودات شامل استفاده از پمپ‌ها برای توزیع آب بر روی پدهای خنک‌کننده و تغییرات در طراحی کولرها بود. این تغییرات از بهره‌وری بیشتر و عملنمود بهتر در کولرهای تبخیری منجر شد.

سیستم های تهویه مطبوع مدرن

با پیشرفت علم شیمی در قرن ۱۹ ظهور نمود و برای اولین بار در سال ۱۹۰۲ ویلیس کریر مخترع آمریکایی کولر گازی را در مقیاس بزرگ تولید و عرضه نمود. با ورود کولرهای گازی در سال ۱۹۲۰ به منازل مسکونی حجم زیادی از مهاجرت به خط خورشید آمریکا شروع شد.

ویلیس کریر

در سال ۱۹۰۲ به استخدام

 شرکت بوفالو در نیویورک در آمد و در انجا به دنبال راه حلی برای خنک نمودن دستگاه های چاپ بود که منجر به اختراع دستگاه کولر گازی شد. اولین دستگاه کولر گازی در ۱۷ جولای ۱۹۰۲ شروع به کار نمود. دستگاه کریر بیشتر به کنترل رطوبت تا کنترل دما می پرداخت. کریر ب جای گردش هوا در دور کویل گرم این گردش را در دور کویل سرد که پر از آب سرد بود انجام داد که باعث خنک شدن هوای خروجی می شد و در نتیجه این کار باعث کنترل رطوبت اتاق می شد. کنترل رطوبت و دمای اتاق باعث حفظ هم ترازی جوهر و کاغذ می شود در نتیجه کیفیت چاپ بسیار بالاتر می شود.

تکنولوژی ایجاد شده توسط کریر چه اتفاقی را رقم زد

این تکنولوژی باعث افزایش بهره وری محل های کار شد و این دلیلی شد که او شرکت تهویه مطبوع کریر را در آمریکا افتتاح کند و از اینجا بود که استفاده از کولر گازی در منازل و اتومبیل افزایش یافت به طوری که در سال ۱۹۵۰ استفاده از کولرگازی در منازل افزایش چشمگیری داشت.وقتی در سال ۱۹۳۳ اولین خانه شخصی در چاپل هیل کارولینای جنوبی مجهز به کولر گازی شد هیچ کس فکرش را نمی نمود که روزی کولر های گازی عضوی جدا نشدنی از خانه باشند.

اولین کولرهای استفاده شده در مکان های عمومی در جهان

در نمایشگاه جهانی سنت لوئیس در سال 1904 سازمان دهندگان از خنک کننده مکانیکی برای خنک سازی ساختمان دولتی میسوری استفاده نمودند . این سیستم 35000 فوت مکعب هوا را در هر دقیقه برای خنک نمودن سالن های 1000 صندلی و اتاق های دیگر در ساختمان ایالات میسوری استفاده می نمود و برای اولین بار عموم مردم آمریکا در معرض مفهوم خنک کننده راحتی قرار گرفتند .

در دهه 1920 زمانی که آمریکایی ها به سینما می رفتند تا ستاره هالیودی را در صفحه نقره ای تماشا کنند این موفقیت بزرگ در تکنولوژی خنک کننده اتفاق افتاد و اساسا سیستم های گرمایشی از همان کانال کشی که برای سیستم های سرمایشی که هوای سرد را از طریق دریچه ها پخش می نمود در فصل های سرد و مواقعی که دمای هوا پایین بود گرما پخش می نمود . در سال 1922 شرکت اولین سیستم خنک کننده طراحی شده برایی تئاتر متروپولیتن در لوس آنجلس را نصب نمود که برای کنترل دما و رطوبت در سرتاسر ساختمان نصب شد .

چرا باید از کولرهای هوایی استفاده نمود:

بی گمان با توجه به شرایط کنونی کمبود آب و افزایش هزینه ها، همراه با نگرانی های اخیر در مورد آلودگی آب و برج های خنک کننده، استفاده صنعت از مبدل های حرارتی آب خنک را بسیار کاهش داده است. در نتیجه، هنگامی که وجود گرمای بیشتر در داخل کارخانه امکان پذیر نیست، بهترین انتخاب مبدل های هوا خنک می باشند. اکنون بخش عمده ای از فرآیند خنک سازی در پالایشگاه ها و کارخانه های شیمیایی در مبدل های حرارتی با خنک کننده هوا انجام می شود. هم چنین از کندانسورهای خنک کننده هوا برای نیروگاه ها استفاده می شود. اصول کار یکسان است؛ اما کندانسورها ممکن است بسیار بزرگ باشند.

مدل های مختلف کولرهای هوایی:
به طور کلی کولر‌ هوایی Air Cooler با توجه به محل قرار گیری فن، دو دسته هستند
· نوع اول     کولر هوایی Air Cooler نوع دمشی (Force Draft Air Cooler)
·    نوع دوم  کولر هوایی Air Cooler نوع مکشی (Induced Draft Air Cooler)

کولر هوایی نوع دمشی

در این حالت فن پایین لوله‌ها قرار می گیرد و با دمیدن هوای خنک بر روی تیوب‌ها باعث خنک شدن سیال درون آنها می‌شود. عملیات خنک کنندگی در این کولرها، با نیروی کمتر و جابجایی حجم کمتری از هوا انجام می گیرد. اکثر کولرهای هوایی در صنعت از این نوع هستند.

مزیت ها

• جهت کارکرد به توان کمتری نیاز است،
• تعمیر و نگهداری آسان بدلیل دسترسی بهتر به فن و سایر قطعات مکانیکیراحتتر انجام می گیرد
• دسترسی بهتر به دسته لوله‌ها برای سرویس و تعویض تیوب ها،بسیار آسان است
• قابلیت کارکرد جهت دماهای ورودی بالاتر سیال فرآیندیتسهیل شده است.

معایب

• توزیع پایین هوا بر روی کل دسته لوله ها می باشد
• کنترل و پایداری پایین فرآیند در اثر قرار گیری لوله‌های پره دار در معرض عوامل جوی نظیر آفتاب و باران و برف و تگرگ
• افزایش احتمال گردش هوای گرم به دلیل سرعت پایین خروجی باندل ها،
• سرعت مکش بالای حلقه فن و نبود Stack، در اثر بروز نقص یا خرابی فن اثر Natural Draft Stack کمتری دارد.
• این نوع کولرها همیشه مستعد برگشت هوای گرم به سیستم هستند و حتما می‌بایست با ارتفاع از سطح زمین نصب شوند.

 کولر هوایی نوع مکشی

در این حالت فن در بالای لوله‌ها قرار می‌گیرد و با مکش هوا به سمت بالا از روی لوله‌ها باعث خنک شدن سیال داخل لوله می‌شود. این نوع کولر هوایی به علت ایجاد توزیع یکنواخت جریان هوا دارای بازدهی زیادی هستند.

مزایا

• دسته لوله‌ها در سمت مکش فن (پایین فن) قرار دارند و پلنیوم ۶۰٪ سطح تیوب باندل را پوشانده است که باعث محافظت در برابر عوامل جوی می‌شود و کنترل و پایداری بهتر فرآیند را به همراه دارد
• توزیع هوا بر روی کل دسته لوله ها، احتمال کمتر گردش مجدد هوای گرم بهتر صورت می گیرد.
• در اثر بروز نقص و یا خرابی فن اثر بیشتری دارد
• در این نوع کولر میزان صدای کمتری بر روی زمین شنیده می‌شود.

معایب

• نیاز بیشتر به توان برای کارکرد کولر ضروری است.
• دمای هوای خروجی نباید بیشتر از ۱۰۰ درجه سانتی گراد شود زیرا باعث آسیب رسیدن به تجهیزات مکانیکی نظیر یاتاقان‌ها می‌شود.
• تعمیرات سخت بدلیل قرارگیری لوله‌ها در زیر فن در این شرایط می‌بایست پلنیوم باز و برداشته شود.
• در صورتی که دمای سیال بیش از ۱۸۰ درجه سانتیگراد گردد از کولر هوایی نوع دمشی استفاده می‌شود زیرا دمای بالای هوا در زمان خاموش بودن فن و یا گردش کم هوا باعث آسیب به اجزای مکانیکی می‌گردد.
• در کولر هوایی نوع مکشی اگر موتور گرداننده فن در بالای لوله‌ها قرار گیرد به علت قرار گرفتن در معرض هوای گرم زودتر مستهلک می‌شود
• برای رفع این مشکل نیرو را با استفاده از شفت منتقل نموده و موتور را در محل مناسب تری (عموما پایین فن و دسته لوله‌ها) قرار می‌دهند.

اجزاء اصلی یک کولر هوایی Air Cooler:

 اجزای اصلی یک کولر هوایی Air Cooler 

   Fanفن، هوا را بصورت دمیدن یا مکیدن به گردش در می‌آورد.
 Fan Ringحلقه دور فن است.
 Plenum محفظه‌ای است که سبب هدایت و ملایم نمودن و گرفتن نوسانات جریان هوا می‌شود.
 Tube Bundleشامل لوله‌های پره دار (Fin Tube)، نگه دارنده لوله‌ها (Tube Support)، قاب کناری (Side Franne )، خط ورودی و خروجی سیال (Header) و نازل (Nozzle) می‌شود.
 Drive Assembly: سیستم گرداننده فن و انتقال قدرت است.
 Column Support & Structure: ستون و سازه نگه دارنده کولر هوایی Air Cooler است.

آشنایی با  انواع پره‌ها

پره‌ها در دو نوع زیر وجود دارند:

       Embedded Fin

        Extruded Fin

پره‌های ( Embedded)

خصوصیات
پره‌های از نوع Embedded معمولا از جنس فولاد یا آلومینیوم ساخته می‌شوند.

• این پره‌ها به شکل میله‌های نازک با سطح مقطع دایره‌ای یا مربعی می‌باشند که در داخل دیواره لوله فرو رفته اند.
• در این روش یک شیار روی تیوب داده می‌شود و سپس نوار پره وارد آن شده و غشاء تيوب روی آن نشانده شده تا عمل اتصال انجام شود.
• با توجه به ایجاد شیار بر روی تیوب، برای جلوگیری از بیش از حد تحت فشار قرار گرفتن تیوب، ضخامت دیواره تیوب بیشتر در نظر گرفته می‌شود. این تیوب‌ها در معرض سایش محیط قرار دارند

معایب

• مقاومت پایین در برابر خوردگی محیطی می‌باشد.
• این پره‌ها از تنوع زیادی برخور دارند و جدایی فین از تیوب بخاطر خوردگی با اختلاف دمایی ارتباطی با نوع پره ندارد.
• از این پره‌ها در مبدل‌هایی که در دماهای بالا و فرایندهای ناپیوسته کار می‌کنند استفاده می‌شود.
• این نوع از لوله‌های پره دار به طور معمول برای دماهای بالاتر از ۱۷۰ و کمتر از ۴۰۰ درجه سانتیگراد مورد استفاده قرار می‌گیرد.

پره‌های نوع (Extruded)

خصوصیات

• پره‌های نوع Extruded، با روش Extrusion بر روی روکش آلومینیومی که بر روی تیوب های کولر هواییAir Coolerقرار می‌گیرد، تهیه می‌شوند.
• نحوه ساخت به این صورت است که ابتدا یک لایه از فلز آلومینیوم را بر روی لوله می‌کشند و سپس این لایه را با اعمال فشار توسط دستگاه دیگری بصورت پره‌ای در می‌آورند.
• از آنجایی که تیوب به صورت کامل توسط روکش آلومینیوم پوشش داده شده، دیواره تیوب همواره از سایش محیطی در امان است و اتصال بین تیوب و پره همواره برقرار می‌ماند.
• این نوع از لوله‌های پره دار جهت کارنمودهای با درجه حرارت حداکثر ۳۰۰ درجه سانتیگراد مناسب می‌باشند.
• پره اکسترود شده از مقاوت در برابر فرسایش محیطی و مقاومت مکانیکی بالایی برخوردار است.

 انواع Header

هدرها در انواع زیر وجود دارند:

• Plug Header
• Removable Cover Plate Header
• Removable Bonnet Header
• Manifold Header
• D Type Header

Plug Header 

پرکاربرد ترین نوع هدر است و به شکل یک جعبه می‌باشد که تمامی قسمت‌های آن بصورت جوشی به یکدیگر متصل شده اند. در این نوع هدر سوراخ‌هایی درون Plug Sheet در مقابل لوله‌های Tube Sheet ایجاد شده اند که به منظور قرار گیری پلاگ، رزوه شده‌اند. این نوع هدر مناسب جهت سرویس کاری هیدروژن و فشار‌های بالا تا ۳۰۰ بار است.

 قابلیت مناسبی جهت تمیز کاری داخل تیوب‌ها دارد که این عمل توسط دستگاه جت آب صورت می‌گیرد و در صورتی که تیوبی نشتی داشته باشد و یا دچار کاهش قطر شده باشد عملیات کور نمودن تیوب امکان پذیر است

 Removable Cover Plate Header   

به شکل یک باکس است و بجای Plug Sheet دارای صفحه‌ای قابل جدا شدن می‌باشد که با پیچ و مهره به هدر اتصال می‌یابد. این نوع هدر جهت سیالاتی که دارای خوردگی و یا رسوب گذاری بالا هستند استفاده می‌شود. اما بدلیل اتصال فلنجی، جهت فشار کاری بالا مناسب نیست و حداکثر تا ۳۰ بار بکار گرفته می‌شود. بدلیل مستطیل شکل بودن فلنج این هدر احتمال نشتی از محل گوشه‌ها افزایش می‌یابد. جهت تمیز کاری و تعمیر می‌توان بدون جدا نمودن سیستم لوله کشی متصل به هدر، دسترسی مستقیم به انتهای تیوب‌ها و داخل هذر داشت. این هدر دارای قیمت بالا و مشکلاتی در ساخت نیز می‌باشد

  . Removable Bonnet Header

ازمحل اتصال به Tube Sheet بوسیله پیچ و مهره قابل جدا شدن است. مشخصات آن مانند Removable Cover Plate Header می‌باشد با این تفاوت که جهت دسترسی به تیوب‌ها بایستی سیستم لوله کشی متصل به هدر جدا شود

Manifold Header

جهت فشارهای کاری بسیار بالا و در مواردی که نمی‌توان از Plug Header استفاده نمود بکار گرفته می‌شود. این هدر به شکل استوانه‌ای می‌باشد که تیوب‌ها به روش جوشی به آن متصل می‌شوند. بدلیل نداشتن هیچ منفذی جهت بازرسی، تنها برای سیالات تمیز مانند سرویس چگالش بخار استفاده می‌شود. تمیز کاری تنها با روش شیمیایی قابل انجام است. متی فولد دارای طول بلند می‌باشد که باعث توزیع یکنواخت سیال داخل تیوب‌ها می‌شود دارای افت فشار کمی است و مناسب جهت فشار کاری تا ۷۰۰ بار می‌باشد.

سیال گرم با حرکت در خط اصلی و عبور از نازل ورودی توسط هدر وارد لوله‌های پره دار، که در مجاورت هوای به گردش در آمده توسط فن هستند، می‌شود. می‌دانیم که به هر مجموعه از لوله‌های حاوی سیال گرم یک Tube Bundle می‌گویند. معمولا دو یا چندین تیوب باندل به طور موازی با یکدیگر از روی یک فن عبور می‌کنند که به کل این مجموعه، یک Bay می‌گویند. گاهی اوقات از دو فن سری شده برای تیوب باندل‌های موازی در یک Bay استفاده می‌شود تا در صورت از کار افتادن یکی از فن ها، فن دیگری بتواند ظرفیت خنک کنندگی را تامین کند. عرض هر Bay تقریبا از ۱ تا ۹ متر می‌تواند متغیر باشد.

اصطلاح Bay در علوم مهندسی به فاصله بین دو ستون گفته می‌شود، که برابر است با حجمی که برای در برگرفتن چیز بخصوصی منظور می‌گردد. معمولا در کولر هوایی از چند Bay که به صورت موازی قرار گرفته اند استفاده می‌شود که به مجموعه این Bay‌ها، Unit گفته می‌شود. به مجموعه ی Unit‌ها که بطور متوالی در یک سازه قرار گرفته اند Bank می‌گویند.

یکی از مسائلی که در مورد مبدل‌های خنک کننده هوایی اهمیت دارد، نسبت مساحت فن به مساحت بای می‌باشد. این نسبت را نسبت تقارب یا همگرایی فن (Converge Fan) می‌گویند و مقدار آن در کولرهای هوایی نباید از ۴/۰ کوچکتر باشد. (شکل ۵. ۸)

 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.