اواپراتورها یا تبخیرکننده ها

• مرضیه ابراهیمی
• • تأسیسات ساختمان

اواپراتور وسیله ای است که از آن برای سردکردن محیطی خاص استفاده می شود . مایع مبرد ورودی به اواپراتور با گرفتن گرمای سیال خنک شونده ( گاز یا مایع ) ، تبخیر و به بخار اشباع تبدیل می گردد .در برخی از اواپراتورها بخار مبرد اشباع تولیدشده ،با جذب گرمای سیال خنک شونده ، به بخار مبرد داغ تبدیل شده و سپس از آن خارج می گردد .

کاربرد اواپراتورها در سیستم های تبرید بسیار گسترده و متنوع می باشد ، در فصل حاضر سعی شده است که انواع اواپراتورها ی مورد استفاده در سیستم های تبرید مورد بررسی قرار گیرند .اواپراتورها را می توان براساس نوع ساختمان ، روش تغذیه مایع مبرد، شرایط کارکرد ، روش گردش هوا ( یا مایع) ، نوع سیستم کنترل مبرد ، و یا کارکرد آنها تقسیم بندی کرد .

ساختمان اواپراتورها را می توان به سه دسته مختلف زیر تقسیم بندی کرد :

۱ ) اواپراتورهای لوله ای

۲ ) اواپراتورهای صفحه ای

۳ ) واپراتورهای فین دار

در ادامه بحث هریک ازاین سه نوع اواپراتورها ، مورد بررسی قرار می گیرد .

  اواپراتورهای لوله ای

ساختمان این نوع اواپراتورها معمولاً از لوله ها ی ساده فولادی و یا مسی ، شکل می گیرد . در اواپراتورهای بزرگ ، و یا اواپراتورهایی که مبرد آنها آمونیاک است ازلوله های فولادی استفاده می شود . درحالیکه از لوله های مسی در ساخت اواپراتورهای کوچک با مبردهایی غیر از آمونیاک ، استفاده می شود . کویلهای لوله ای ( Bave- tube coils ) در اندازه های مختلف ، شکل ها و طرحهای گوناگون ، و معمولاً برحسب کاربرد مورد نظر ساخته می شوند .  ( Flat Zigzag )

در مواردی که گردش مقدار زیادی از هوا با سرعت کم در سالنهای نگهداری بالای صفر و یا زیر صفر مد نظر است ، گاهی اوقات از کویلهای لوله ای که از سقف سالنها آویخته می شوند، استفاده می گردد .در سیستمهایی که سرمایش و یا انجماد وزشی ( blast- cooling or freezing ) بوسيله سرد کردن هوا با سرعت زیاد و با استفاده از دمنده های سانتریفوژ ( centrifugal bliwer ) صورت می گیرد ، از کویلهای لوله ای خشک و یا مرطوب استفاده می شود .

اواپراتورهای صفحه ای 

این نوع اواپراتورها به فرمهای مختلفی ساخته می شوند .

برخی از آنها با جفت شدن دو ورق فلزی شکل می گیرند .

برای ایجاد مسیر جریان مبرد بین آنها ، یکی از ورقها بصورت خاصی برجسته شده وبرروی دیگری نصب می گردد .

نمونه هایی ازاین اواپراتورها در شکل زیر نشان داده شده است .

این نوع خاص ازاواپراتورهای صفحه ای بطور وسیعی در یخچال و فریزرهای خانگی مورد استفاده قرار می گیرند . زیرا تمیز کردن این اواپراتورها ساده بوده و تولید آنها اقتصادی است . همچنین می توان آنها را به راحتی و به هرشکل که لازم است ، فرم داد.

نمونه های فرم یافته این نوع اواپراتورهای صفحه ای در شکل زیر نشان داده شده اند .

برای بهبود تماس حرارتی میان صفحات و لوله های حامل مبرد ، می توان فضای خالی میان ورقها را با محلول خاص پرکرد . یک راه دیگر برای این منظور خلا کردن فضای میان ورقهااست که در این صورت، فشار اتمسفریک اعمالی برسطح خارجی این ورقها باعث خواهد شد که این صفحات فلزی بصورت محکم وثابت با لوله های داخلی درتماس باشند.

آنهایی که با محلول پر می شوند دارای این مزیت هستند که می توان ازآنها برای ذخیره سازی ظرفیت سرمایی لازم استفاده کرد . برخی از آنها درکامیونهای یخچال دار استفاده می شوند .

دراین کامیونها ، اواپراتورهای صفحه ای را بصورت عمودی ویا افقی برروی سطوح داخلی دیواره ها ویا سقف کانتینر کامیونها نصب می نمایند . این کامیونها درطول شب و هنگام توقف درکنار یک سیستم سردخانه مرکزی ، به این سیستم متصل می گردند . درطول این مدت ظرفیت سرمایی لازم برای سرد کردن محصولاتی که قرار است روز بعد توسط کامیون انتقال یابند . درمحلول داخلی اواپراتورهای صفحه ای ذخیره می گردد . یعنی درطول توقف کامیون هنگام شب ، مبرد از داخل لوله های اواپراتورها عبور کرده وباعث انجماد داخل آنها خواهد شد . این محلول منجمد درطول روز بعد به عنوان یک منبع سرمایی عمل خواهد کرد . بدین ترتیب ظرفیت و حجم سیستم تبرید لازم نصب شده بر روی کامیون به مقدار زیادی کاهش می یابد . دمای ورقها توسط دمای نقطه ذوب محلول داخل اواپراتورها ،کنترل می شود . اواپراتورهای صفحه ای را می توان به صورت تکی و یا چندتایی استفاده کرد .

اواپراتورهای فین دار 

عموماً در مواردی که مقدار ضریب انتقال حرارت جابجایی یک سمت مبدل حرارتی کم باشد، با نصب یکسری صفحات فلزی که آنها را “پره ” ویا “فین ” (Fine) می نامند، مساحت سطح تبادل حرارات آن سمت را افزایش می دهند. به عنوان مثال درموتورسیکلت ها، از آنجایی که جداره سیلندر موتور توسط هوا خنک می شود، لذا یکسری فین بر روی سطح خارجی جداره سیلندر تعبیه می نمایند تا مساحت سطح تبادل حرارت افزایش یافته وجریان هوا در اطراف سیلندر متلاطم تر صورت گیرد. ولیکن از آنجائیکه جداره سیلندر موتور اتومبیلها توسط آب خنک می شود ضرورتی برای استفاده از فین دراین قبیل موارد وجود ندارد. زیرا ضریب انتقال حرارت لایه آب موجود درمجاری خنک کننده موتور، نسبتاً بالا می باشد. به همین صورت

دراواپراتور ها نیز، فینها بعنوان سطوح خارجی ضریب انتقال حرارت اواپراتورهای هوا خنک کننده را افزایش می دهند. دربعضی موارد برای مغشوش تر شدن جریان هوا، فین ها به صورت صفحات غیر مسطح (زیگزاگ)می باشند. بدین ترتیب راندمان این اواپراتورها برای خنک کردن هوا ویا گازهای دیگر افزایش خواهد یافت. دراواپراتورهای لوله ای مقدار زیادی از هوا، از فضاهای باز میان لوله ها عبور کرده ونمی تواندبا سطح کویل تماس داشته باشد. با اضافه کردن فین به کویل، صفحات فلزی موجود درفضاهای باز میان لوله ها به عنوان جمع کننده گرما عمل می نمایند. این کویل های مجهز به پره را کویلهای فین دار ( Finned coils) می نامند. پره ها گرمای آن قسمتی از هوا را که نمی تواند مستقیماً با سطح اولیه انتقال حرارت (سطوح کویل) درتماس باشد، دفع می نمایند. بدیهی است که اتصال فین به لوله بایستی طوری باشد که یک تماس حرارتی خوب میان آن دو ایجاد گردد.

دربعضی حالات فین را مستقیماً به لوله، لحیم و یا جوش می کنند. گاهی این اتصال همانند آنچه که درجداره سیلندر موتور سیکلت ها وجود دارد بصورت یکپارچه می باشد.

گاهی فینها را برروی لوله قرار می دهند، وسپس لوله را بوسیله فشار و یا روشهای دیگر منبسط می نمایند بطوریکه فینها به سطح لوله محکم چسبیده ویک تماس حرارتی خوب ایجاد می نمایند و یا اینکه می توان توسط شعله سوراخ فین را حرارت داد وسپس با اندک فشار آنرا برروی لوله ودر جای مورد نظر قرارداد و بعد از آنکه فین بر روی لوله نصب شد، فین محکم به لوله قفل خواهد شد. اندازه فینها وفاصله بین آنها بستگی به نوع کاربرد کویل اواپراتور خواهد داشت. اندازه فین تقریباً با افزایش اندازه قطر لوله افزایش می یابد. فاصله بین فینها بسته به اینکه دمای عملکرد کویل چقدر باشد از یک تا ۱۴فین درهر اینچ طول لوله تغییر می کند. دراواپراتورهای خنک کننده هوا که در دماهای پائین کار می کنند، احتمال ایجاد برفک( Frost) برروی کویلها زیاد بوده و با کاهش دمای نقطه عملکرد (تبخیر) این اواپراتورها، مقدار تجمع برفک بیشتر خواهد شد. تجمع برفک دراینگونه اواپراتورها باعث محدود وکند شدن جریان هوای عبوری ازمیان فینها خواهد شد. لذا دراین موارد بایستی برای به حداقل رساندن مشکل انسداد گردش هوا، فاصله بین فین ها بزرگتر باشد که معمولاً دو تا چهارفین درهراینچ طول لوله می باشد. ازطرفی درکویل های تأسیسات تهویه مطبوع ویا موارد دیگری که دمای عملکرد آنها به حدی بالامی باشد که احتمال ایجاد برفک برروی آنها خیلی کم است، می توان تعداد فینها را به ۱۶ فین در هر اینچ طول لوله افزایش داد. دربعضی موارد جریان هوا برروی کویلهای فین دار دراثر تغییر دانسیته هوا روی می دهد. از آنجائیکه دانسیته هوای سرد بیشتر از دانسیته هوای گرم می باشد، لذا هوای سرد همیشه میل به پائین آمدن داشته درحالیکه هوای

گرم میل به بالا رفتن وبه روی هوای سرد قرارگرفتن را خواهد داشت. جریان بوجود آمده دراین حالت را جابجایی آزاد (FreeConvection) می نامند که دراثر تغییر دانسیته سیال رخ می دهد. دراین موارد بایستی تا حد امکان مقاومت کویلها درمقابل جریان هوا کم باشد. لذا بطور کلی فاصله بین فینها درکویلهای بدون فن بیشتر از کویلهای فن دار خواهد بود. درکویلهای فن دار جریان هوا بصورت اجباری ( Forced convection) صورت می گیرد. فین گذاری سطح خارجی لوله ها، مقدار مساحت سطح خارجی آنها را افزایش می دهد. مقدار افزایش این سطح محدود بوده ویکی از عوامل محدود کننده آن سطح داخلی کویلهای اواپراتور می باشد.

اگر فین گذاری بصورت نامطلوب ویا بیش ازحد لزوم صورت گیرد، نه تنها نمی تواند باعث افزایش ظرفیت اواپراتورشود بلکه می تواند دربعضی موارد باعث کاهش ظرفیت گردد. زیرا دراینصورت محدودیت گردش هوا روی کویلها بیشتر خواهد شد. قابل ذکراست که اواپراتورهای خنک کننده هوا را اصطلاحا “Air cooler” نیز می نامند.

از آنجائیکه ظرفیت اواپراتورهای فین دار با تجمع برفک تحت تاثیر قرار می گیرد لذا کویلهای فین دار برای خنک کردن

هوا وقتیکه دما بالاتراز ۳۴ (oF) است، مناسبترمی باشند. کویلهای فین داری که دردماهای پائینتر مورداستفاده قرار می گیرند، به یکسری وسایل ذوب برفک مجهز می گردند. عمل ذوب برفک را می توان بهروشهای مختلف وبصورت اتوماتیک انجام داد. کویلهای فین دار نسبت به کویلهای بدون فین درواحد طول وعمق دارای سطح بیشتری بوده وبدین علت می توانند

بصورت فشرده تری ساخته شوند. بطور کلی یک کویل فین دار، فضای کمتری را نسبت به اواپراتورهای صفحه ای ویا لوله ای هم ظرفیت، اشغال خواهد کرد. بدین ترتیب فضای اشغال شده توسط اواپراتورهای صفحه ای ویا لوله ای فین دار بطور قابل ملاحظهای کاهش خواهد یافت. کویلهای فین دار وقتی که همراه با فین ها به عنوان اواپراتور های جریان اجباری عمل می نمایند بسیار مفیدتر واقع می گردند. در بعضی تأسیسات خنک کننده مایع، که در آنها ازمبردهای فلورکربن استفاده می شود ممکن است نرخ انتقال

حرارت سمت سیال خنک شونده خارج لوله ها، بیش از نرخ انتقال حرارت سمت مبرد داخل لوله ها باشد. دراین موارد می توان با فین دار کردن سطح داخل لوله ها، عملکرد اواپراتوررا بهبود بخشید. اگر مبرد خارج لوله ها باشد استفاده از لوله هایی که برروی سطح خارجی آنها یکسری فینهای کوتاه ( low- finned tubes) قرار دارد ، بسیار مفید و مؤثر خواهد بود .
ساختمان این نوع فینها می تواند مشابه قسمت حدیده شده یک پیچ معمولی باشد .

گردش مبرد درداخل اواپراتور ( Evaporator Circuiting )

افت فشار جریان مبرد در داخل کویل و یا لوله های اواپراتور می تواند بر روی ظرفیت کمپرسور تأثیر گذارد . بدین ترتیب که با افزایش افت فشار فوق ، بخار مبرد ورودی به کمپرسور فشار کمتری نسبت به آنچه که لازم است خواهد داشت و درنتیجه ظرفیت وراندمان کمپرسور کاهش خواهد یافت. برای اجتناب از تلفات ظرفیت کمپرسور ، لازم است که جریان مبرد در داخل اواپراتور با کمترین افت فشار صورت گیرد . از سوی دیگر برای ایجاد جریان مبرد از میان اواپراتور وجود یک مقدار مشخص از افت فشار الزامی است در غیر اینصورت جریان وجود نخواهد داشت. برای جاروب حبابهای بخار ایجاد شده بر روی سطوح داخلی لوله ( این حبابها باعث کاهش نرخ انتقال حرارت سمت مبرد می شوند ) و برگرداندن روغن به کمپرسور ، لازم است که سرعت مبرد به حد کافی بالا باشد . از طرفی با افزایش سرعت مبرد ، افت فشار نیز افزایش می یابد . لذا یک طرح خوب و بهینه برای گردش مبرد در داخل اواپراتور آن است که افت فشار جریان مبرد در داخل اواپراتور مینیمم بوده و در عین حال مبرد دارای سرعتی باشد که بتواند حبابهای بخار را انتقال و روغن را به کمپرسور برگرداند . اواپراتور می تواند از چند مدار ( Circuit) مختلف تشکیل شده باشد . به طور کلی افت فشار هر یک از مدارهای اواپراتور بستگی به عواملی چون قطر لوله ، طول مدار ، و بار مدار (Circuit load ) خواهد داشت . بار مدار مشخص کننده مقدار دبی مبردی است که بایستی ازمیان آن مدار عبورنماید . هر چه بار مدار افزایش یابد ، مقدار دبی مبرد و افت فشار آن نیز افزایش می یابد . بنابراین برای قطر لوله مشخص با افزایش بار مدار ، برای اجتناب از افت فشارهای بیش از حد ، لازم است که طول مدار کوتاهتر باشد .

یک نمونه از اواپراتورهای تک مداره در شکل زیر نشان داده شده است که در آن جریان مبرد در داخل اواپراتور فقط در یک مسیر ( مدار ) امکان پذیر است . این اواپراتورها می توانند در محدوده مشخص از بار بصورت مناسب عمل نمایند . هنگامیکه بار افزایش یابد (یعنی نرخ گرمای ورودی به اواپراتور زیاد باشد ) سرعت مبرد از محدوده طراحی فراتر رفته و این باعث ایجاد یک افت فشار بیش از حد خواهد شد . مبرد بصورت مایع از بالای اواپراتور وارد شده و بصورت بخار از قسمت پائین آن خارج می شود . هنگامیکه مبرد تبخیر می شود حجم آن افزایش می یابد . بدین جهت سرعت مبرد و افت فشار در واحد طول مسیر به صورت تصاعدی در طول مسیر مبرد داخل مدار ، افزایش می یابند و در انتهای کویل که مبرد ۱۰۰%بخار

است ، مبرد دارای ماکزیمم سرعت و افت فشار خواهد بود . افت فشار بیش از حدی که در انتهای مدار یک اواپراتور تک مدار ، رخ می دهد را می توان کاهش داد . برای این منظور مدار موجود را در پائینترین قسمت اواپراتور به دو مدار تقسیم می کنند ( Splitting ) . این موضوع در شکل زیر نشان داده شده است . در این صورت مبرد در مسیر تک مداره حرکت کرده تا زمانیکه سرعت مبرد به ماکزیمم مقدار مجاز خود برسد . از این نقطه به بعد مدار به دو مسیر موازی تقسیم شده و جریان مبرد بصورت مساوی در این دو مسیر موازی ادامه خواهد یافت . بدین ترتیب سرعت مبرد به نصف مقدار خود کاهش یافته و افت فشار در واحد طول نیز به ۸/۱ مقدار آن در پائینترین قسمت اواپراتور تک مداره خواهدرسید .

زیرا افت فشار با توان دوم سرعت متناسب می باشد . لذا اگر سرعت نصف شود افت فشار به ۴/۱ کاهش می یابد . و از آنجایی که طول هر شاخه موازی ، نصف طول تک مدار است ، بنابراین افت فشار در واحد طول به ۸/۱مقدار آن در پائینترین قسمت اواپراتور تک مداره خواهد رسید .

دراینصورت می توان بار مدار را نیز بدون اینکه افت فشار بیشتر از مقدار مجاز خود گردد، افزایش داد. همچنین سرعت جریان مبرد نیز در محدوده مورد انتظار باقی خواهد ماند .

روش دیگر کاهش افت فشار در اواپراتور ، نصب پخش کننده های مبرد در بالا و پائین اواپراتور می باشد بطوریکه مبرد بصورت همزمان به یکسری مدارهای موازی تغذیه شود .

این وضعیت در شکل زیر نشان داده شده است . عیب اصلی این نوع مدار بندی اواپراتور آن است که بارگذاری مدارهای مختلف نا مرتب بوده و نمی توان برای هر مدار به اندازه ای که مبرد لازم دارد ، عمل تغذیه را انجام داد.

اختلاف دما بین هوای عبوری از کویل مدار اول خیلی بیشتر از مدار آخر بوده و بدین جهت مدار اول به مبرد بیشتری نیاز خواهد داشت . از این نوع مدار بندی معمولاً در سیستمهایی استفاده می شود که تغذیه مبرد آنها به حدی است که در انتهای کویلهای اواپراتور نیز ، مقداری مایع وجود خواهد داشت که سطح لوله ها رامرطوب نگه دارد .

اواپراتورهای جابه جایی طبیعی ( Natural – Convection evaporators )

اواپراتورهای جابجایی طبیعی ( آزاد ) عمدتاً در مواردی که سرعت هوا کم بوده و حداقل رطوبت گیری محصولات مد نظراست ، مورد استفاده قرارمی گیرند . این اواپراتورها بر اساس تغییر دانسیته هوای محیط سرد عمل می نمایند . به عنوان مثال در یخچالهای خانگی و یا سالنهای نگهداری بزرگ از این نوع اواپراتورها استفاده می شود .

گردش هوا روی کویلهای سرد کننده در این روش ، تابعی از اختلاف دمای اواپراتور و فضا می باشد . هر چه این اختلاف دما بزرگتر باشد ، شدت گردش هوا ( دبی هوای عبوری از روی کویل ) بیشتر خواهد شد. عواملی نظیر شکل ، اندازه و موقعیت اواپراتور ، تیغه های مورد استفاده ، و چگونگی استقرار محصولات در فضای

سردخانه ، می توانند بر روی گردش هوا در جابجایی طبیعی اثر بگذارند . تعداد ردیف کویلهایی که بر روی یکدیگر در یک صفحه قائم قرار می گیرند ( درحالت سقفی )بهتر است که بیش از دو ردیف نباشد .

زیرا با افزایش تعداد این ردیف ها ، مقاومت مسیر در مقابل جریان گردش آزاد هوا افزایش یافته و در نتیجه ظرفیت کویل کاهش خواهد یافت . از آنجائیکه هوای سرد سنگینتر از هوای گرم می باشد لذا تا حد امکان بایستی اواپراتورها را نزدیک سقف سالن نصب کرد از طرفی بایستی به این نکته نیز توجه داشت که برای گردش آزاد هوا در قسمت بالایی کویلها ، فضای مناسبی میان اواپراتور و سقف در نظر گرفته شود .

در سالنهایی که ارتفاع سالن کم بوده و امکان استفاده از کویلهای سقفی وجود ندارد ، کویلها را بر روی دیواره های جانبی سالن ( کویلهای دیواری ) نصب می نمایند .

اگر این کویلها درست نصب گردند ، میتوانند دارای کارایی کویلهای سقفی باشند .

اواپراتورهای سرد کننده مایع 
همانند اواپراتورهای سرد کننده هوا ، این نوع اواپراتورها نیز بر اساس نوع کاربرد آنها دارای انواع مختلفی خواهند بود .
پنج نوع از متداولترین سرد کننده های مایع ( liquid chillers) عبارتند از :

• سردکننده دو لوله ای( Double – pipe cooler )
• سرد کننده صفحه لوله ای( Daudelot cooler )
• سرد کننده مخزنی( Tank-Type cooler )
• سرد کننده کویل –پوسته ای( shell-and- coil cooler )
• سرد کننده لوله –پوسته ای( shell-and- tube cooler )

عواملی که باعث افزایش عملکرد این نوع اواپراتورها می شوند ، همان عواملی می باشند که باعث افزایش عملکرد اواپراتورهای سرد کننده هوا و دیگر سطوح انتقال حرارت می گردند .
در جدول زیر محدوده ظرفیت سرمایی ، انواع مبرد و وسایل مورد استفاده برای کنترل تغذیه مبرد ، در بعضی از اواپراتورهای سردکننده مایع ارائه شده است .

ظرفیت اواپراتور (Evaporator Capacity )

دبی گرمایی که از محیط سرد شونده و از طریق دیواره های کویل اواپراتور را تشکیل داده و معمولاً برحسب ( kw ) و یا (Btu/hr) بیان می گردد . هر اواپراتوری که برای کاربردی خاص ، انتخاب و یا طراحی می شود ، بایستی دارای ظرفیت انتقال حرارت مناسبی باشد که بتواند سرمای لازم را در شرایط کاری مورد نظر ایجاد نماید .
گرما می تواند از طریق سه روش مختلف انتقال حرارت به اواپراتور برسد . در اواپراتورهای سرد کننده هوا ، بیشتر گرما از طریق جابجایی هوا از محصولات به اواپراتور انتقال می یابد .
همچنین مقداری از گرما توسط تشعشع مستقیم محصولات و دیواره های سالن سرد به اواپراتور می رسد . در مواردی که محصول با سطح خارجی اواپراتور در تماس مستقیم است ، انتقال گرما از طریق هدایت صورت می گیرد . این مورد ، همیشه برای سرد کردن مایعات در جائیکه مایع با سطح کویل اواپراتور در تماس است ، صادق است .
صرفنظر از اینکه گرما چگونه بع سطح خارجی اواپراتور می رسد ، همیشه گرما از طریق هدایت از دیواره های کویل اواپراتور عبور کرده وبه مبرد داخل آن می رسد .
بنابراین ظرفیت اواپراتور ، یعنی دبی گرمایی که از جداره های کویل اواپراتور عبور می کند را همانند مسائل دیگر سطوح انتقال از طریق هدایت را می توان از مبادله زیر به دست آورد .

http://arianps.ir/%d9%85%d8%b9%d8%b1%d9%81%db%8c-%d8%b3%db%8c%d8%b3%d8%aa%d9%85-%d8%aa%d9%88%d9%84%db%8c%d8%af-%d9%87%d9%85%d8%b2%d9%85%d8%a7%d9%86-%d8%a8%d8%b1%d9%82-%d9%88-%d8%ad%d8%b1%d8%a7%d8%b1%d8%aa-chp/%d8%aa%d8%a3%d8%b3%db%8c%d8%b3%d8%a7%d8%aa-%d8%b3%d8%a7%d8%ae%d8%aa%d9%85%d8%a7%d9%86/

مرضیه ابراهیمی