انتقال حرارت در کویل های سرمایی

از: شرکت Don Eppelheimer

ماخذ: خبرنامه های شرکت TRANE

مقدمه

شما معمولا از چه معیاری برای ارزیابی عملکرد یک کویل سرمایی استفاده می کنید؟

آیا کویل های سرمایی را بر اساس سطح سرعت آنها انتخاب می نمایید؟ یا افت فشار؟ آیا تنها هزینه را در نظر می گیرید؟ اما شاید علی رغم معیار هایی که برای انتخاب کویل سرمایی به کار می برید توجه مهندسی کافی به این امر مبذول نمی کنید. این مقاله به بررسی کویل های سرمایی و شیوه های افزایش ظرفیت انتقال حرارت آنها می پردازد. همواره به ذهن بسپارید که استفاده موثر از یک کویل می تواند هزینه های اضافی سیستم تهویه مطبوع را کاهش دهد.

اهمیت کویل سرمایی

کویل سرمایی یک جزء مهم از سیستم تهویه مطبوع است. هرگونه اتخاذ تصمیم درباره انتخاب کویل ها بر هزینه اولیه خرید نصب تامین و حفظ فضای آسایش حرارتی تاثیرگذار خواهد بود.

به عنوان مثال مقدار مواد به کار رفته در فین ها و لوله های کویل و اندازه کلی آن تعیین کننده قیمت اولیه کویل است. هر چه مواد به کار رفته در ساخت کویل بیشتر باشند طبیعتا هزینه آن را افزایش خواهند داد. ابعاد یک کویل سرمایی بر اندازه و وزن هواساز تاثیر می گذارد هر چه کویل بزرگ تر باشد هواساز بزرگ تری باید برای آن در نظر گرفته شود. یک هواساز بزرگ هم به موتورخانه ای بزرگ تر جهت استقرار نیاز آرایش لوله ها و کانال ها تاثیر منفی می گذارد.

از آنجا که یک کویل سرمایی بخشی اساسی در سیستم توزیع هوا می باشد هندسه اندازه تعداد ردیف ها فاصله میان فین ها و پروفیل فین های آن بر افت فشار سمت هوا و سطح تولید صدای بادزن ها تاثیر گذارند.

کویل های سرمایی عنصر مهمی از سیستم آب سرد نیز می باشند. اینکه یک کویل چقدر در افزایش دممای آب سرد نقش دارد بر هزینه اولیه سیستم لوله کشی آب سرد و توان پمپ تاثیر می گذارد. کیفیت کارکرد کویل حتی در راندمان چیلر ها نیز موثر است.

دینامیک انتقال حرارت

کویل های سرمایی آب سرد مبدل های حرارتی با لوله های فین دار هستند که از ردیفی لوله گذرنده از صفحاتی از فین های شکل داده شده تشکیل می شوند. کویل ها در واقع پل هایی هستند که اجازه انتقال بار های سمت هوا را به بار های آب سرد می دهند. بنابراین بهبود بخشیدن به طراحی پل آن را قادر خواهد ساخت که ترافیک را تحمل کند و به عبارت دیگر حرارت بیشتری منتقل گردد. انتقال بهتر حرارت امکان بهبود سیستم های توزیع هوا و آب سرد را به نحوی فراهم می آورد که تعادلی میان سرمایه گذاری اولیه و هزینه های عمر مفید آنها ایجاد گردد.

شاید به نظر برسد که بحث های مربوط به انتقال حرارت فقط به دانشمندان و محققانی اختصاص دارد که در آزمایشگاه های مخصوص به تحقیق مشغول اند. اما در واقع چنین نیست چون مهندسانی که سیستم های تهویه مطبوع را طراحی می کنند حتی با تعیین معیار انتخاب کویل بر عملکرد انتقال حرارت تاثیر می گذارند. برای این که با چگونگی تاثیر طراحی های مختلف در راندمان کویل ها آشنا شوید به بررسی دقیق تر آنها می پردازیم.

LMTD

بهترین شیوه بهبود بخشیدن به عملکرد انتقال حرارت بالا بردن LMTD است. LMTD در یک کویل سرمایی آب سرد نشان دهنده اختلاف میان دما های هوای گذرنده از فین های کویل و آب درون لوله های کویل است. یک روش بالا بردن LMTD تغذیه کویل با آب سرد تر است.

ضریب انتقال حرارت

این ضریب که فاکتور U یا ضریب گسیل حرارتی حرارت در کویل است. این نرخ توسط سه عامل تعیین می شود:

1- ضریب فیلم سمت هوا:

بیانگر مانع بین جریان هوای عبوری و سطح فین ها است.

2- ضریب فیلم سمت آب:

بیانگر مانعی مشابه بین سطوح داخلی لوله های مسی و سیال در چرخش است.

3- هدایت حرارتی:

بیانگر نرخ جریان یافتن حرارت در فین های آلومینیومی و لوله های مسی کویل است.

طراحان سیستم ها قادر به تغییر اثرات هدایت حرارتی نیستند اما می توانند کنترل قابل توجهی بر ضرائب فیلم داشته باشند.

چگونه؟

با تعیین سرعت گذر هوا و سیال از درون کویل سرمایی افزایش نرخ گذر جریان هوا از مقاومت در برابر انتقال حرارت در سمت هوای کویل سرمایی می کاهد و افزایش سرعت جریان آب به طریقی مشابه از مقاومت در برابر انتقال حرارت در سمت آب خواهد کاست.

هندسه فین ها

هندسه فین ها بر ضریب کلی انتقال حرارت تاثیر مثبت دارد چون از ضریب فیلم سمت هوا می کاهد. هندسه فین ها به مانند عامل سرعت به عنوان بخشی از طراحی سیستم تهویه مطبوع به شمار می رود.

فین کویل های مورد استفاده در خنک سازی برای آسایش انسان ها معمولا به صورت موجی شکل است که فرم مقوای لانه زنبری را به ذهن متبادر می سازد.

این اشکال موجی باعث مغشوش شدن جریان هوای عبوری شده و مقاومت در برابر انتقال حرارت را کاهش می دهند.

هرچه اشکال موجی شدید تر باشند اغتشاش بیشتری در جریان ایجاد خواهند نمود.

جریان آب مغشوش به مانند جریان هوای مغشوش اثر کاهندگی بر مقاومت در برابر انتقال حرارت دارد و در کنار هندسه فین ها معیاری اساسی برای انتخاب کویل ها می باشد.

اغتشاش در جریان آب را می توان با تعبیه نوارهای فلزی و یا سیستم های مارپیچی در داخل لوله ها ایجاد نمود. این وسایل که آنها را اصطلاحا تولید کننده اغتشاش در جریان یا توربولاتور می نامند در جریان آب عبوری گرداب هایی را ایجاد می کنند.

البته هر دو روش بهبودبخشی ضریب انتقال حرارت افت فشار را افزایش می دهند که برای غلبه بر آن نیاز به توان بیشتر بادزن یا پمپ خواهد بود.

سطح کویل

سومین عامل دخیل در انتقال حرارت مساحت سطح کویل است. فاصله میان فین ها در کاربرد های تهویه مطبوع و سرمایش/گرمایش محیطی برای آسایش انسان ها بین 80 تا 168 فین در فوت می باشد. استقرار نزدیک تر فین ها بر سطح مفید می افزاید چون تعداد بیشتری فین در واحد طول جا داده می شوند. اگرچه با این کار افت فشار سمت هوا افزایش می یابد ولی اضافه کردن فین ها بدون تاثیر بر ابعاد کلی کویل می تواند سطح موثر انتقال حرارت آن را افزایش دهد.

اضافه کردن ردیف لوله ها نیز اثر مشابهی دارد. چون ساختار بیشتر کویل ها به صورت U شکل بوده و ورودی و خروجی در یک طرف قرار دارند لوله ها باید به صورت جفت به آنها اضافه شوند. با این کار هزینه و وزن کویل افزایش می یابد اما افت فشار سمت هوا بدون تغییر می ماند. فاصله دهی زیاد در بین فین ها معمولا طراحان را به افزودن ردیف لوله ها ترغیب می کند.

بهترین شیوه برای افزایش سطح موثر انتقال حرارت کاهش سطح سرعت کویل است.

سطح سرعت را میتوان به دو روش کاهش داد:

• افزایش ابعاد کویل
• و یا کم کردن از شدت جریان هوای لازم

انتخاب کویلی با ابعاد فیزیکی بزرگ تر به افزایش سرمایه اولیه مورد نیاز برای کویل و هواساز می انجامد که نتایج مطلوبی نیستند. پس چگونه می توانیم بدون این که ظرفیت کویلی را کم کنیم از شدت جریان هوای لازم بکاهیم؟

بهبود بخشیدن به عملکرد کویل

پایین آوردن دمای هوای رفت هواساز مقدار هوای مورد نیاز برای سرمایش محسوس و نیز انرژی مصرفی بادزن را کاهش می دهد. اما با توجه به معادله انتقال حرارت شدت جریان هوای کمتر به معنی افزایش مقاومت فیلم سمت هوا و در نتیجه کاهش ضریب انتقال حرارت U بوده و از طرفی هوای خروجی سرد تر باعث میشود که LMTD کاهش پیدا کند.

حال برای اینکه این اثرات منفی بر عملکرد کویل را جبران کنیم باید راهی برای بالا بردن U (ضریب انتقال حرارت) و یا A (مساحت سطح) بیابیم. به عبارت دیگر باید یک کویل سرمایی با مشخصات انتقال حرارتی بهتر از متوسط انتخاب کنیم.

افزایش U:

همانطور که قبلا ذکر شد جریان مغشوش از مقاومت فیلمی در برابر انتقال حرارت می کاهد. پس انتخاب آرایشی مخصوص از فین ها که اشکال موجی آن محسوس تر بوده و یا اضافه کردن توربولاتور در داخل لوله های کویل موجب افزایش ضریب انتقال حرارت خواهد شد.

افزایش A:

هر مقدار افزایش اضافی در ضریب انتقال حرارت با بزرگ کردن فیزیکی مساحت سطح ممکن خواهد بود و این کار با افزودن ردیف ها اضافه کردن فین ها و بزرگ کردن ابعاد فیزیکی کویل (که هزینه اولیه کویل هواساز و تجهیزات جانبی سمت هوا را بالا خواهد بود) امکان پذیر است.

به عنوان مثال طراحی تاسیسات یک ساختمان اداری فت طبقه 400000 فوت مربعی شامل هواساز با کویل آب سرد و سیستم توزیع هوای حجم متغیر است. شرایط طراحی اولیه برای هواساز عبارت بوده است از تحویل 55385 هوای رفت 55 درجه فارنهایت.

همانطور که مشاهده می نمایید برای تحقیق این امر هیچگونه تغییری در هواساز یا شرایط طراحی سمت آب کویل داده نمی شود. کاستن سطح سرعت از 552 به469 و افزایش تعداد فین ها در فوت از 124 به 152 انتقال حرارت اضافی مورد نیاز برای رسیدن به دمای 52 درجه فارنهایت را تامین می نماید.

پس نه تنها افت فشار سمت هوا کاهش داده شده بلکه سطح سرعت کمتر نگرانی های مربوط به حرکت رطوبت را نیز کاهش می دهد.

در این مورد بهینه سازی عملکرد انتقال حرارت باعث کاهش پانزده درصدی در شدت جریان هوای لازم شده و حتی معادل دوازده هزار دلار در سال از مصرف انرژی بادزن می کاهد.

نکته این بهبود بخشیدن به عملکرد کویل ها با کاستن از شدت جریان هوا دو مزیت دیگر را نیز در بر دارد:

• نیاز کمتر به اسب بخار بادزن
• و کاهش بار سرمایی (به دلیل کم شدن گرمای حاصل از کارکرد بادزن)

البته توجه داشته باشید که هوای خنک تر ممکن است نیازمند بازگرمایش باشد بنابراین بیش از طراحی نهایی سیستم تهویه مطبوع ساختمان ها باید مورد تحلیل کامل و جامع مصرف انرژی قرار بگیرد تا آثار تقتصادی کارکرد کل سیستم و در نتیجه هزینه های چرخه کاری عمر مفید ساختمان مشخص گردد.

عملکرد کویل در شرایط جریان ضعیف

دو هدف در اکثر طراحی های سیستم های مطبوع دنبال می شود:

• هزینه اولیه کمتر
• و هزینه کمتر انرژی

این دو هدف در استقبال از سیستم های آب سرد با جریان ضعیف نقشی عمده داشته اند. در ایده طراحی جریان ضعیف ظرفیت سرمایش با استفاده کمتر از آب در دماهای پایین تر تامین میگردد و عملا تهاتری بین افزایش در مصرف انرژی چیلر با کاهش زیاد در هزینه های پمپاژ صورت می پذیرد. اما جریان ضعیف شده آب چگونه بر عملکرد کویل تاثیر میگذارد؟

با نظر به اصول ترمودینامیک و معادله انتقال حرارت متوجه خواهیم شد که کاهش نرخ جریان عبوری آب از لوله های کویل موجب کم شدن مقدار U یا ضریب انتقال حرارت خواهد شد ولی همانطور که میدانید LMTD افزایش خواهد یافت چون دمای آب ورودی یا EWT کمتر است.

LMTD بالاتر که محصول فرعی جریان های ضعیف میباشد کاهش ضریب انتقال حرارت را جبران کرده و در نتیجه ظرفیت کویل در نرخ جریان 127 گالن در دقیقه و یا 77 گالن در دقیقه یکسان باقی می ماند بدون این که A یا سطح موثر تغییری کرده باشد.

تاملات پایانی

دماهای آب ورودی و هوای خروجی در کویل های سرمایی نه تنها جرم هوا و آب مورد نیاز را تعیین می کنند بلکه هزینه های به حرکت در آوردن آنها را نیز مشخص خواهند کرد.

دفعه بعدی که مشغول انتخاب یک کویل سرمایی بودید حتما فرصتی کوتاه را برای بررسی آثار LMTD بر اساس دما های پایین تر آب سرد و هوای رفت خنک تر اختصاص بدهید.

منافع این کار چنان زیاد است که نمیتوان بی توجه از کنار آن عبور کرد.

 

منبع: مجله صنعت تاسیسات شماره 57

 

اگر شما هم مشتاق یادگیری تخصصی و حرفه ای دوره های تاسیسات مکانیکی با اساتیدی مجرب هستید میتوانید فیلم آموزشی مهندسی تهویه و تهویه مطبوع را از آکادمی کاشانه تهیه کنید.