رفع عیب و بهینه سازی کارآیی چیلرهای جت بخار

نوشته: Guy Levy

ترجمه: مهندس علی توکلی

برای تامین یک جریان با دبی بالا و پیوسته ی آب سرد هیچ فناوری ساده تر و قابل اعتمادتر از  چیلرهای آب از نوع افشانه ی جت بخار (SJE) نیست که اغلب به نام سیستم های تبرید جت بخار شناخته می‌شوند. این تاسیسات هیچ قسمت متحرکی ندارند. به مراقبت و نگهداری اندکی احتیاج دارند و می‌توانند نرخ‌های بالای جریان آب تا ۶۵۰۰ گالن بر دقیقه را پوشش دهند. هزاران کارخانه ی سازنده در دنیا برای سرویس‌های مهم خود به چیلرهای آبی از نوع افشانه ی جت بخار تکیه می‌کنند.  به عنوان مثال می‌توان به کارخانه های تولید کاغذ و تاسیسات فرآیندهای شیمیایی و پتروشیمی که در  آنها بخار به اندازه ی کافی وجود دارد اشاره کرد.

در صنایع کاغذ و خمیرهای سلولز چیلرهای آبی SJE برای سرد کردن حجم های عظیم آب که برای عملیات سفید کاری مصرف می‌شوند، به کار  می روند. از آنجایی که چیلرهای آبی SJE بسیار قابل اعتماد هستند و سال‌ها شرایط کاری شدید را تحمل می‌کنند، اغلب کارخانه ها فراموش می‌کنند که این سیستم ها نیز به مراقبت های معمولی و  روزمره احتیاج دارند. این مراقبت‌ها می‌تواند شامل بازدیدهای ساده‌ی دوره ای و یا نصب تجهیزات  خاص برای پایش رفتار سیستم باشد. از آن گذشته اگر کارخانجات تمایل به بهبود بازده تاسیسات داشته باشند باید چیلرها را آزمایش نموده و تا حد امکان آنها را ارتقاء دهند تا بتوانند بهترین کارآیی  را از این سیستم ها دریافت نمایند. مقدار نیاز به آب سرد در تاسیسات ممکن است بعد از چند سال  تغییر کند، بنابراین مصرف انرژی و پیکربندی چیلر می‌تواند بر اساس نیازهای جدید اصلاح شود.

اصول کار کرد 

چیلرهای آبی SJE بر اساس سرمایش تبخیری کار می‌کنند. هنگامی که مقدار اندکی آب تبخیر می شود، بر اساس اصول ترمودینامیکی باقی مانده آب خنک می‌گردد. برای اینکه آب به سرعت تا دماهای پایین خنک شود تبخیر باید در شرایط خلاء انجام گیرد. این فرآیند معمولا در چند مرحله  تکمیل می شود تا یازده انرژی را افزایش دهد و به طور عادی شامل دو تا چهار مرحله ی سرمایش  می گردد. یک چیلر آبی SJE به طور معمول در هر مرحله ی سرمایش از چندین بوستر نیز  استفاده می کنند. بوستر عبارت است از یک افشانه یا ejector که قبل از چگالنده عمل می کند. سمت مکش بوستر که در شرایط خلاء قرار دارد آب در حال تبخیر و مواد غیر قابل چگالش محلول و  همچنین هوای نشتی را به داخل می‌کشد و سپس آن‌ها را به داخل چگالنده تخلیه می کند. بوستر همانند سایر افشانه ها از بخار محرک فشار مثبت برای کار کردن استفاده می‌کند. بخار محرک و بخار آب با استفاده از آب سرد در چگالنده که باید تحت شرایط خلاء کار کند چگالیده می شود. حفظ خلاء در حداقل مقدار لازم در این چگالنده الزامی است. یک مجموعه ای تحت خلاه دو مرحله ای جت بخار که اغلب پمپ هوا نامیده می‌شود، معمولا برای این منظور مورد استفاده قرار می گیرد. با تبخیر مقداری آب تحت شرایط خلاء اولین مرحله ی سرمایش با سرد کردن آب تا دمای میانی انجام می شود و سایر مراحل بعدی تا زمانی که آب به دمای نهایی برسد به ترتیب انجام خواهد شد. انجام این  فرآیند با روش‌های مختلفی امکان پذیر است؛ به عنوان مثال بسته به شرایط مکان مورد نظر، ممکن است استفاده از بیش از یک چگالنده، بازدهی  بالاتری داشته باشد با چگالنده نوع پوسته و لوله ممکن است انتخاب مناسب تری به شمار آید.

رفع عیب 

چیلر آبی SJE به نگهداری کمی نیاز دارد. ولی هرگاه دچار خرابی شود. یافتن راه حل آن اغلب مشکل است. در طول زمان شرایط کاری ممکن است تغییر کند. به عنوان مثال مقدار نیاز  به تغذیه ی آب سرد ممکن است افزایش یابد.

دمای میانگین آب سرد به خصوص در فصل تابستان ممکن است افزایش پیدا کند، دیگ قدیمی ممکن است بازده خود را از دست داده، مجهز به سیستم جدا کننده ی هوا از آب شده و یا حتی جایگزین شده باشد، ممکن است نیازهای فرآیندی دیگری برای تامین بخار به دیگ تحمیل شده باشد، یا هوای بیشتری به سیستم نشت کند. تمام این عوامل به تدریج کارایی سیستم را ضعیف تر می کنند. اولین چیزی که هنگام رفع عیب یک چیلر آبی SJE باید بررسی شود، خلاء ایجاد شده در ورودی چگالنده‌ اصلی یا مسیر تخلیه ی بوستر است. اگر میزان این خلاء خیلی ضعیف باشد، دستگاه دیگر سرمایش مطلوب را نخواهد داشت  و در حقیقت تحت این شرایط، بخار محرک حاصل  از بوستر، دچار پس زنش می‌شود و دوباره آب را  گرم می‌کند. حتی اگر چیلر به طور کامل به علت ضعیف بودن خلاء دچار خرابی نشود، ولی به دلیل  اینکه فشار در خروجی بوستر بالاتر از فشار طراحی می گردد، باز هم کارآیی سیستم مطلوب نخواهد بود. در نتیجه بوسترها در فشار بخار محرک بالاتری باید کار کنند که ممکن است تا ۳۰ درصد بیش از فشار مورد نیاز باشد. بالارفتن فشار مورد نیاز به معنی بالارفتن مصرف بخار است که این خود منجر به اتلاف هزینه می گردد.

علت های معمول خرابی ها 

بیشتر مشکلاتی که در چیلر آبی SJE به وجود می آید مربوط به سیستمی است که خلاء را چگالنده اصلی ایجاد می کند. سیستم های خلاء  به دلایل مختلفی ممکن است دچار خرابی شوند.  برخی از این دلایل در زیر توضیح داده شده است.

نشت هوا به درون چیلر 

نشت هوا اغلب در مفاصل یا اتصالات فلنجی  و یا در اجزای خورده شده یا ساییده شده اتفاق می افتد. به عنوان مثال زانویی تخلیه ی بوستر  به دلیل عبور بخار با سرعت بالا به تدریج دچار  خوردگی شده و ممکن است سوراخ هایی در آن  ایجاد شود. لوله ای که از چگالنده به سمت چاه  گرم ( که همچنین به عنوان بازوی بارومتریک هم  شناخته می‌شود ) می رود، به دلیل اینکه تحت شرایط خلاء می‌باشد خود ممکن است منشاء نفوذ هوا باشد، به خصوص اینکه این محل در تماس با  آب خورنده ی چاه داغ است. چیلر آبی SJE معمولا  برای نشت هوایی به میزان ۵۰ تا ۷۵ پوند بر  ساعت طراحی شده اند. یک سوراخ کوچک فقط  به قطر چند میلی متر سبب نشت مقدار زیادی  هوا می‌شود که به خلاء دستگاه آسیب رسانده و  فشار تخلیه ی بوستر را افزایش داده و در نهایت نیاز بوستر به بخار را افزایش می‌دهد. به دنبال آن ممکن است ایرادات جدی‌تری هم به وجود آید.

گرفتگی یا افت فشار در مسیرها 

یک واشر جابه جا شده در مسیر، می‌تواند باعث افت فشار در بخش خلاء شود و یا اگر لوله های تخلیه اتمسفریک نهایی گرفته باشند، ممکن است منجر به افت فشاری شود که کل سیستم خلاء را تحت تاثیر قرار دهد.

فشار بخار کمتر از حد لازم 

در شرایط عادی، یک افشانه برای کار کردن نیاز به فشار طراحی کامل محرک خود دارد. در عمل یک افشانه به فشاری حداقل ۹۰ درصد فشار طراحی خود نیاز دارد.

بخار پرفشار 

بخار با فشار بالا خود می تواند منشاء بروز مشکل باشد زیرا اگر فشار افشانه بالاتر از فشار طراحی محرک باشد ممکن است به دلیل مسدود شدن گلویی افشانه، ظرفیت آن کاهش یابد. بنابراین حداکثر فشار مجاز افشانه برای کار کرد  مطمئن، ۲۵ درصد بالاتر از فشار طراحی است. در فشارهای بالاتر از این، بخار ورودی به افشانه  باید با عمل بستن Throttle به حد فشار طراحی  شده محدود گردد.

وجود بخار فوق داغ Superheat بیش از  حد یا کمتر از حد در بخار 

وجود بخار فوق داغ در جریان بخار موجب افزایش حجم مخصوص آن می شود. از آنجایی که  نازل افشانه روزنه‌ی ثابتی دارد، بسته به درجه ی  فوق داغ شدن، مقدار بخاری که از آن عبور می کند کاهش یا افزایش می یابد. این مسئله اثری مشابه افزایش یا کاهش فشار بخار محرک دارد. بخار فوق داغ بسیار کم به طور معمول مشکلی ایجاد نمی کند، مگر اینکه افشانه برای درجه ی بالایی از  بخار فوق داغ طراحی شده باشد.

رطوبت اضافی در بخار 

فیت بخار یک عامل مهم است. زیرا بخار مرطوب کارایی افشانه را تغییر می دهد. رطوبت بیش از حد استهلاک در سیستم را شتاب بخشیده و ابعاد بحرانی را در نازل ها و ونتوری ها  تغییر می دهد.

تاثیر آب خنک کننده در چگالنده بارومتریک 

آب داغ یا آب خنک کننده ی کمتر از حد معمول فشار چگالنده را افزایش می دهد. آب خنک کن بیش از حد نیز موجب سرریز شدن چگالنده می شود.

تجهیزات فرسوده

تجهیزات فرسوده یا تجهیزاتی که در شرایط بدی قرار دارند موجب خرابی سیستم می شوند. با اینکه سیستم های ایجاد خلاء معمولا علت خرابی‌ها می‌باشند، بوسترها نیز به دلیل فرسایش ایجاد شده توسط بخار در بدنه یا نازل های بخار، ممکن است بازده خود را از دست بدهند. مخزن آب سرد و چگالنده به طور کلی چندان دچار خرابی نمی شوند ولی در برنامه های مراقبت پیشگیرانه نباید از آنها غفلت کرد.

چک لیست رفع عیب چیلر 

هنگامی که تغییرات قابل ملاحظه‌ای در کارآیی یک چیلر مشاهده شد، مهندسان برای رفع عیب آن نیاز به کمک خواهند داشت. رفع عیب دستگاه اگر به صورت سیستماتیک انجام گیرد بسیار ساده‌تر خواهد شد.

• خطوط بخار از سمت تاسیسات باید به خوبی عایق کاری شوند تا از چگالش بخار در مسیر جلوگیری شود. ضخامت عایق تابعی از دمای بخار  و قطر لوله می باشد.
• یک جدا کننده ی بخار قبل از چیلر نصب کنید تا مطمئن شوید که بخار خشک است. اگر  در کیفیت بخار شک دارید، از یک کالری متر  استفاده کنید تا درصد رطوبت در بخار را به دست آورید. حداکثر مقدار مجاز رطوبت در بخار ۳ درصد می باشد.
• فشار بخار را در هر افشانه کنترل کنید تا مطمئن شوید که فشار در محدوده ی مجاز می باشد. کنترل فشار فقط در مسیر اصلی بخار کافی نیست.
• فشار آب باید حداکثر ۱۵ درصد با فشار طراحی اختلاف داشته باشد.
• دمای آب باید کمتر یا مساوی دمای طراحی باشد.
• دبی آب خنک کننده باید برای خنک کنندگی و چگالش کافی باشد. معمولا افزایش دمای ۱۵ الی ۲۰ درجه فارنهایت در چگالنده مجاز است که تفاوت دماهای خروجی و ورودی آب می باشد. اگر افزایش دما بیشتر از حد طراحی  باشد، به این معنی است که آب خنک کننده ی کمی مصرف می‌شود و برعکس، اگر افزایش دما کمتر از حد طراحی باشد، به این معنی است که مصرف آب خنک کننده زیاد است و در نتیجه  موجب سرریز شدن چگالنده می شود (به خصوص  چون لوله ی دنباله به مرور زمان تمایل به گرفتگی با مواد ته نشین شونده‌ی معدنی دارد). اگر چگالنده  در دمایی حدود یک یا دو درجه کمتر از افزایش دمای طراحی کار کند نتیجه‌ی خوبی در پی خواهد داشت.
• نشت بیش از اندازه ی هوا را می‌توان با استفاده از ( آزمایش افت ) طبق پروتکل انستيتو  تبادل حرارت (HEI) محاسبه کرد. در این آزمایش  نشت هوا بر اساس حجم سیستم و زمانی که صرف  می‌شود تا فشار لازم بعد از خاموش شدن افشانه ها ایجاد شود، محاسبه می گردد.
• سیستم را از لحاظ فرسودگی و زنگ زدگی، به خصوص در نازل‌های افشانه ها، دیفیوزرها، و  نازل های آب چگالنده بازرسی کنید. همچنین  قطعات فرسوده و شکسته سیستم را شناسایی  کنید.
• وجود گرفتگی در نازل ها، دیفیوزرها، صافی ها و بازوهای بارومتریک یا لوله های تخلیه به اتمسفر را بررسی کنید.
• لوله های چگالنده را به لحاظ گرفتگی و خرابی بازبینی کرده و همچنین نازل های ورودی چگالنده را کنترل کنید.
• نشت بخار بین مخزن بخار و نازل ها را که موجب افزایش بار مکش برای افشانه ها می شود، کنترل کنید.
• همیشه لوازم یدکی را که شامل موارد زیر می شود در دسترس داشته باشید؛ یک نازل بخار  ( یا بیشتر برای سیستم های دارای چند نازل ) برای هر مرحله افشانه، افشانه های یدکی برای  سیستم خلاء و حداقل یک گیج سنجش خلاء  مناسب دارای واحد فشار مطلق برای بررسی  خلاء در نقاط مختلف دستگاه
• اگرچه مهندس تاسیسات به لحاظ نظری می تواند اجرای فوق را نوسازی کند، ولی این کار  به طور کلی پیشنهاد نمی‌شود، زیرا ممکن است ابعاد بحرانی این اجزاء با ابعاد اصلی تفاوت کنند. شاید بعضی ها تصمیم بگیرند که اجزای ارزان  قیمت را دور انداخته و تعویض نمایند. در محیط های خورنده که اجزاء به دفعات زیاد باید تعویض شوند، باید جنس مواد را که اغلب از جنس فولاد یا چدن می باشد با فولاد ضد زنگ تعویض  نمود.

بهینه سازی جیلر چت بخار 

بعد از چند سال که از عمر چیلر می گذرد، باید  نیازهای آب سرد تاسیسات دوباره آزمایش شود. همچنین باید دمای نهایی مورد نیاز آب سرد را کنترل کرد. امکان دارد که نیازهای آب سرد سیستم تغییر کرده باشد و می‌توان چیلر موجود را بر اساس نیازهای جدید با اصلاح بوسترها به روز کرد، زیرا چیلر بر اساس نیازهای قبلی طراحی  شده بود. اگر نرخ جریان آب سرد کمتر از مقدار طراحی باشد، دمای خروجی آب سردتر از مقدار  مورد نیاز است. این مسئله ممکن است نگران کننده به نظر نرسد ولی آب سردتر به معنی اتلاف بخار است. پوسترهایی با ظرفیت کمتر و مصرف بخار کمتر می‌توانند در این مورد برای رسیدن به دمای مورد نظر استفاده شوند. برعکس، دبی های بیشتر آب سرد و یا دمای نهایی پایین تر، با به ‌روز کردن سیستم با استفاده از بوسترهای با ظرفیت بالاتر قابل دسترسی خواهند بود. البته برای به‌روز کردن تاسیسات محدودیت هایی وجود دارد. بنابراین یک روش هوشمندانه این است که یک چیلر آبی SJE جدید که به صورت سری یا موازی با چیلر موجود کار می‌کند، به تاسیسات  اضافه شود. کارخانه ی بزرگ تولید کاغذ میدوست ( Midwest) هنگامی که ظرفیت خط تولید دی اکسید کلرین خود را تا میزان ۳۵ تن در روز افزایش داده، از این روش برای دو برابر کردن تولید آب سرد خود استفاده نمود. در این کارخانه یک  چیلر تحت خلاء موجود با یک چیلر آبی SIE  تلفیق شد تا مقدار ۶۰۰ گالن بر دقیقه آب را از  ۸۵ درجه فارنهایت  به ۴۵۴ درجه فارنهایت برسانند. در مواقع اوج نیاز به  آب سرد، هر دو چیلر به طور موازی کار می کنند.  و در مواقع حداقل نیاز چیلر قدیمی در حالت  آماده به کار باقی می ماند.

کنترل فشار بخار 

همان طور که قبلا گفته شد، زمانی که خلاء چگالنده کافی نباشد، فشار بخار مورد نیاز در  بوسترها به بالاتر از مقدار مورد نیاز طراحی می‌رسد. برعکس آن هم درست است، یعنی هرگاه مقدار خلاء از مقدار طراحی بهتر باشد، به فشار  بخار محرک کمتری نیاز خواهد بود. هنگامی که سیستم به درستی کار می‌کنند، میزان خلاء در  شرایط بهتری نسبت به مقدار طراحی می‌باشد. زیرا معمولا جهت ایمنی در طراحی میزان نشتی  هوا را بیشتر از مقدار واقعی در نظر می گیرند، که  این میزان به ۵۰ درصد نیز بالغ می گردد و  همچنین به این دلیل که دمای آب خنک کننده  به دلیل شرایط فصلی معمولا خنک تر است. فشار بخار در پوسترها به وسیله ی شیر کنترل و به صورت تابعی از فشار مطلق در خروجی بوستر کنترل می‌شود. بنابراین هنگامی که فشار در چگالنده  تغییر می‌کند، فشار بخار ورودی به بوسترها توسط  کنترل خودکار افزایش یا کاهش می‌یابد. به عنوان  مثال فرض کنید یک چیلر آبی SJE برای فشار  چگالندهinHg  2.7  بر مبنای دمای آب خنک  کننده ی ۸۷ درجه فارنهایت و فشار بخار psig طراحی  شده باشد. در طول ماه های سردتر سال آب  خنک کننده فشار چگالنده را تا 1.5 inHg کاهش  می دهد.

محاسبه ی هزینه ها 

هزینه ی بخار به آسانی قابل محاسبه نیست.  ولی مقادیر پذیرفته شده در حدود ۶ الی ۱۰ دلار  بر هر ۱۰۰۰ پوند بخار است. یک چیلر آبی STE  با اندازه ی متوسط معمولا ۲۰۰۰۰ الی ۳۰۰۰۰  پوند بر ساعت بخار مصرف کرده و ۸۰۰۰ ساعت  در سال کار می کند. بر پایه ی این پارامترها، موارد  زیر را می‌توان تخمین زد:

یک دستگاه دارای نشتی خلاء یا کار کرد  ضعیف ممکن است نیاز به ۲۰ درصد بخار بیشتر داشته باشد. بنابراین هزینه ی سالانه ای که به  سیستم تحمیل میکند بالغ بر ۳۰۰۰۰۰۰ دلار  خواهد بود.

کنترل فشار بخار می تواند مصرف بخار را  بین ۲۰ تا ۴۰ درصد کاهش دهد. بنابراین صرفه جویی انجام شده بین ۲۰۰۰۰۰۰ تا  ۵۰۰,۰۰۰ دلار در سال است.

ترکیبی از به روز کردن بوسترها برای نیاز  واقعی آب سرد به علاوه‌ی تعمیر سیستم و کنترل فشار بخار می‌تواند تا ۶۰ درصد در مصرف بخار  صرفه جویی به همراه داشته باشد. نگهداری رفع عیب و بهینه سازی یک چیلر آبی STE می‌تواند فواید اقتصادی زیادی به همراه داشته باشد. بنابراین برای افزایش سوددهی تاسیسات خود، بازدهی چیلرهای آبی SJE را تا حد ممکن افزایش  دهید. بدین طریق کل تاسیسات نیز از بازدهی بیشتری برخوردار خواهد بود.