نحوه کار فن کویل
ژانویه 23, 2022هواساز چیست و چگونه کار میکند (قسمت دوم)
فوریه 12, 2022هواساز چیست و چگونه کار میکند (قسمت اول)
این مقاله شامل اطلاعات عملی برای راهنمایی مهندس هنگام کاربرد، انتخاب، و نصب انواع مختلف دستگاههای تهویه مطبوع، بدون توجه به منبع تبرید است. اگرچه مفهوم تهویه مطبوع شامل حرکت، گرمایش و پاکیزه سازی هواست، این مقاله عمدتاً به تجهیزات سرمایش، رطوبتزدایی و رطوبت زنی تخصیصیافته است. انواع دیگر تجهیزات هواساز نیز در این بخش شرح داده میشوند.
انواع تجهیزات تهویه مطبوع
دستگاههای تهویه مطبوع را میتوان به دو دستهی اصلی تقسیم کرد:
۱- تجهیزات کویلی که در آنها واسطهی تهویه مطبوع هوا را از سطح انتقال حرارتی بستهای عبور میدهد.
۲- تجهیزات ایرواشر که در آن واسطهی تهویه مطبوع مستقیماً با هوا تماس دارد.
این دو دسته را میتوان مطابق نمودار ۳ به دستههای فرعی تقسیم کرد..
تجهیزات تهویه مطبوع پکیج یا یکپارچه، به سبب کاربرد تخصصی خود، در بخش ۳ این مقاله شرح داده میشوند. تجهیزات پایانهای را در بخشهای ۱۰ و ۱۱ شرح میدهیم.
استانداردها و آییننامهها
در کاربرد و نصب تجهیزات تهویه مطبوع باید همهی آییننامهها، مقررات و ضوابط حاکم بر محل نصب دستگاه را رعایت کرد. آییننامهی ایمنی استاندارد آمریکا با عنوان B9.1 و استانداردهای ARI ASHRAE و AMCA ناظر بر آزمون، تعیین مقادیر نامی و ساخت دستگاههای تهویه مطبوع است.
هواساز
چنانکه از نام این دستگاه به ذهن متبادر میشود اجزای اصلی تشکیلدهندهی آن عبارتاند از یک فن (فن) برای ایجاد جریان هوا و یک کویل آب سرد یا کویل انبساط مستقیم برای خنک کردن و رطوبتزدایی هوا. تجهیزات کمکی مانند کویل های گرمایش، رطوبت زن و فیلتر نیز، در صورت نیاز، در دسترساند تا بقیهی کارکردهای تهویه مطبوع را انجام دهند. اجزای لازم را میتوان بهصورت پکیجهای کابینتی در کارخانه مونتاژ کرد. در شکلهای ۲۴ و ۲۵، به ترتیب، یک هواساز تک منطقهای و یک هواساز چند منطقهای نشان دادهشده است. مقطع کویل افشانهای در شکل ۲۶ نشان دادهشده است. چون این قبیل تجهیزات برای نصب روی یک دستگاه بزرگ طراحی و ساختهشدهاند، نمیتوان آنها را فن کویل دانست.
اما به سبب شباهت کارکرد، تجهیزات کویل افشانه را در این بخش شرح میدهیم. هر جا مقتضی باشد، به اختلاف کاربرد و جانمایی اشاره خواهد شد. در شکل ۲۷ هواساز افشانهای نشان دادهشده است. یونیتهای هواساز تک منطقهای و چند منطقهای ازلحاظ محل نصب فن نسبت به کویل سرمایش باهم تفاوت دارند. در یونیت تک منطقهای، فن در پایین دست کویل سرمایش نصب میشود. بنابراین این نوع پونیت را غالباً یونیت «مکشی» مینامند. یونیت چند منطقهای را میتوان یونیت «دمشی» نامید زیرا در این یونیت فن در بالادست کویل نصب میشود در شکلهای ۲۸ و ۲۹ جریان هوای عبوری از دو نوع هواساز مرکزی نشان دادهشده است.
تغییرات نمونه واری که در فشار کل، فشار استاتیکی، و فشار سرعتی ایجاد میشود در شکلهای ۳۰ و ۳۱ نشان دادهشده است. استفاده از فن مجهز به دیفیوزر به تبدیل فشار سرعتی به فشار استاتیکی با حداقل افت انرژی کمک میکند. یونیتهای هواساز پرههای پیش خمیده یا پس خمیده دارند. فنهای با پرهی پیش خمیده برای چنین کاربردی مناسباند، زیرا در سرعتهای پایین عملکردی بهتر از انواع دیگر فن دارند. چرخ این نوع فن سبکتر است و این نوع فن از فن با پرههای پس خمیده جمع جورتر، و ارزانتر است. با توجه به پایین بودن سرعت، میتوان از محورهای بلندتری برای فن استفاده کرد.
کاربرد هواساز
کاربرد تجهیزات تهویه مطبوع از مشخصههای بار سرمایشی فضایی که باید تهویه مطبوع شود، و میزان کنترل دما و رطوبت موردنظر تأثیر میپذیرد. یونیت تک منطقهای بیشترین بازده را در فضاهایی دارد که بار نسبتاً ثابت یا با تغییرات یکنواخت دارند. در حالت ایده آل چنین فضایی یک اتاق وسیع است. اما کاربردهای چند اتاقی نیز عملیاند، بهشرط اینکه تغییرات بار در همهی اتاقها یکسان، همزمان و متناسب باشد. در صورت نیاز میتوان منطقه بندی را با استفاده از گرمایش مجدد یا تنظیم حجم هوا در کانالهای فرعی انجام داد. در کاربرد چند منطقهای که مؤلفههای بار بهطور مستقل تغییر میکنند و تابع زماناند، دستگاه چند منطقهای میتواند با استفاده از یک یونیت فن هر فضا را بهطور منفرد کنترل کند. در پاسخگویی به این نوع بار، تأسیسات چند منطقهای ارزانتر از تأسیسات تک منطقهای با چندین کویل گرمایش مجدد کانالی است.
ازآنجا که یونیت چند منطقهای امکان به ای پس کردن هوای بیرون را، وقتی سیستم تحت بار کامل نیست، فراهم میکند مخصوصاً برای کاربردهایی مناسب است که ضرایب گرما محسوس بالا دارند و از حداقل هوای بیرون استفاده میکنند. اگر در یونیت چند منطقهای به کنترل رطوبت نیاز باشد، میتوان کویل پیش سرمایشی در کانال هوای بیرون تعبیه کرد. هواساز استاندارد فقط قادر به کنترل دقیق دماست. با یک رطوبت زن یونیتی، مثلاً پکیج افشانهی آب شهر، میتوان رطوبت را تا حدودی کنترل کرد. اما اگر کنترل دقیقتر رطوبت موردنظر باشد، استفاده از یک بخش کویل افشانهای با یک هواساز افشانهای نتیجهی بهتری به بار میآورد. تجهیزات کویل افشانهای را میتوان برای سرمایش تابستانی و رطوبتزدایی، رطوبت زنی زمستانی و سرمایش تبخیری در فصلهای معتدل بهکار برد. استفاده از این تجهیزات برای کاربردهایی که به کنترل رطوبت نیاز دارند، مانند فرایندهای صنعتی، بیمارستانها، کتابخانهها، و موزهها ترجیح داده میشود. تجهیزات کویل افشانهای را نیز میتوان به گرمکن آب مجهز کرد تا سرمایش یا گرمایش و رطوبت زنی را بهطور همزمان انجام دهد.
تجهیزات هواساز استاندارد، خواه تک منطقهای و خواه چند منطقهای برای تحویل هوا تا cfm 50000 در دسترس است. کویل های افشانهای چندگانه برای تأمین هوا تا بیش از cfm 60000 دسترسپذیر است. هرگاه نیاز ما فراتر از اندازهی تجهیزات کارخانهای موجود باشد، باید دستگاهی با استفاده از کویل های سرمایش یا کویل های افشانهای منفرد ساخت. محدودیتهای فشار استاتیکی در مورد فنهای هواساز، بسته به سازنده، بسیار متغیرند.
انتخاب یونیت هواساز
موضوع مطرح در انتخاب هواساز، دستیابی به عملکرد موردنظر با حداکثر صرفهی اقتصادی است. جنبهی اقتصادی این انتخاب صرفاً به یونیت و کویل انتخابی محدود نمیشود، بلکه اثر این انتخاب بر سایر اجزای سیستم، مانند لولهکشی، کانالکشی، و تجهیزات تبرید را نیز شامل میشود. فرایند انتخاب شامل انتخاب اندازهی یونیت و کویل است. انتخاب کویل شامل تعیین عمق کویل در ردیفهای موردنیاز فاصلهی بهینهی بین پرههای کویل و، در مورد کویل های آب سرد، مدار بندی مناسب است.
اندازهی یونیت هواساز
وقتی مقدار هوای رطوبتزدایی شده معلوم باشد، انتخاب اندازهی یونیت معمولاً بر انتخاب کویل مقدم است. در اغلب موارد، اندازهی یونیت را سرعت سطحی کویل سرمایش تعیین میکند. هنگام انتخاب سرعت سطحی کویل، پیشنهاد میشود بالاترین سرعت سطحی مجازی انتخاب شود که مقرونبهصرفه است. سازندگان ظرفیت کویل های خود را براساس بالاترین سرعت سطحی تأییدشده توسط آزمون، هم ازلحاظ به دام افتادن قطرههای رطوبت و هم ازلحاظ مقاومت هوا، تعیین میکنند. اما اگر گرمایش مجدد و رطوبتزدایی همزمان ضروری باشد، حداکثر سرعت سطحی توصیهشده برای کویل سرمایش، بسته به طرح یونیت خاص موردنظر، میتواند پایینتر از مقداری باشد که در غیر این صورت مجاز میبود. ازآنجاکه عمق کویل گرمایش مجدد بهاندازهی عمق کویل سرمایش نیست، و موجب چگالش رطوبت نمیشود، محدود کردن اندازهی یونیت از طریق محدود کردن سرعت سطحی کویل گرمایش توجیه اقتصادی ندارد. سازندگان هواساز کویل های گرمایش داخلی خود را برای دستیابی به عملکرد بهینه در سرعت سطحی توصیهشده برای کویل سرمایش طراحی میکنند. از سرعت خروجی فن نباید بهعنوان معیار شدت تولید صدا استفاده کرد. مشخصههای صوتی با بالا رفتن بازده فن بهبود مییابند، نه با کاهش سرعت خروجی آن.
انتخاب کویل
کویل سرمایش برای ایجاد اثر مطلوب روی هوایی که از آن عبور میکند، مطابق با بارهای سرمایشی محسوس، نهان و کل محاسبهشده برای فضای موردنظر و شرایط هوای ورودی به کویل انتخاب میشود. اما انتخاب نهایی جریان آب سرد در کویل، افت فشار در آن جریان و دمای آب ورودی یا، در مورد کویل انبساط مستقیم، دمای مبرد را نیز معین میکند. بنابراین کویل را باید با توجه به عملکرد سمت تبرید یا آب سرد، همچنین با در نظر داشتن عملکرد سمت هوا انتخاب کرد.
بهاینترتیب انتخاب کویل دو جنبه دارد که هنگام انتخاب میتوان آنها را مستقل از هم در نظر گرفت. عملکرد سمت هوا و عملکرد سمت تبرید را باید جداگانه در نظر گرفت و سپس آنها را تطبیق داد تا کویل بهینه ازلحاظ اقتصادی انتخاب شود. روش نقطهی شبنم برای انتخاب کویل راهی برای تطبیق دادن عملکردهای سمت هوا و سمت مبرد در اختیار ما قرار میدهد.
مفهوم انتخاب دو مرحلهای کویل به شرح زیر است:
۱٫ کویلی را بهطور آزمایشی، برحسب ردیفها و فاصلهی بین پرهها، بر اساس ضریب به ای پس لازم با توجه به شرایط تثبیتشدهی هوا انتخاب کنید. ضریب به ای پس کویل نقطهی شبنم دستگاه را تعیین میکند.
۲٫ با استفاده از نقطهی شبنم دستگاه که در مرحلهی نخست بهدست آمد، عملکرد سمت تبرید را تعیین کنید. این کار شامل یافتن دمای لازم برای مبرد در کویل های انبساط مستقیم، یا مقدار آب سرد، دما و افت فشار حاصل در کویل های آبی است.
بهاینترتیب میتوان کویل را بهطور موقت و بدون توجه به انتخاب نهایی دستگاه تبرید، انتخاب کرد. اگر نخستین انتخاب عملکرد رضایت بخشی برای سمت مبرد در پی نداشت، میتوان کویل دیگری را با عملکرد کافی برای سمت هوا انتخاب کرد. انتخاب بهینه عملکرد مناسب را با کمترین هزینهی اولیه و هزینهی بهرهبرداری تضمین میکند.
غالباً در کاربردی چند منطقهای، نقطهی شبنم دستگاه در نواحی مختلف تغییر میکند. بهجای اینکه پایینترین نقطهی شبنم دستگاه اتاقی را نقطهی شبنم کویل در نظر بگیریم، میتوانیم نقطهی شبنم بالاتری را انتخاب کنیم که معرف کل سیستم باشد و در عوض در مورد رطوبت نسبی طرح اتاقی که پایینترین نقطهی شبنم را دارد، تن به مصالحه بدهیم. درنتیجه از زیان ناشی از خرید سیستمی گرانتر اجتناب کردهایم. افزایش رطوبت نسبی با کاهش دمای خشک جبران میشود. این تصمیمگیری ممکن است در مورد اتاق کنفرانس، با بار نهان نسبتاً بالای آن، ضرورت پیدا کند. اگر در این کاربرد، تن دادن به مصالحه قابلقبول نباشد، حداکثر صرفهجویی با تأمین تهویه مطبوع این ناحیهی خاص با استفاده از سیستمی جداگانه حاصل میشود.
انواع مختلف فنون دستهبندی و انتخاب کویلی که با آنها روبهرو میشوید یا مستقیماً از یکی از این دو روش استفاده میکنند، یا از آنها مشتق شدهاند. روشهایی مانند روش نقطهی شبنم دستگاه (دمای مؤثر سطح) و روش اصلاحشدهی دادههای پایه از این قبیلاند. روش اخیر شامل محاسبهی عملکرد کویل بر اساس دادهها و معادلههای انتقال حرارت پایه است. در این روش تعیین عملکرد سمت هوا و سمت مبرد بهصورت عملی واحد ترکیب میشود. اما روش دادههای پایه مستلزم فرضهایی است که معمولاً در جریان انتخاب اصلاح میشوند و بنابراین نوعی راهکار آزمونوخطاست. عمق محاسبهشدهی کویل ممکن است عددی اعشاری باشد که باید آن را به عددی صحیح گرد کرد؛ این اصلاح نیز بهنوبهی خود محاسبهی دوبارهی عملکرد را ضروری میسازد. روش نقطهی شبنم دستگاه از روش دومرحلهای انتخاب کویل اقتباسشده است. ردیفهای کویل صرفاً بهصورت اعداد صحیح استاندارد در نظر گرفته میشوند.
نمودارهای ۴ و ۵ نمودارهای تبدیلی هستند که برای ارزیابی عملکرد سمت هوای هر کویل سرمایش، در صورت معلوم بودن شرایط هوای ورودی و خروجی، بهکار میآیند. این عملکرد برحسب ضریب به ای پس کویل و نقطهی شبنم دستگاه حاصل میشود. خطکشی که روی دمای خشک ورودی مستقر کنیم و آن را بچرخانیم تا از تقاطعهای مختلف ضریب به ای پس کویل با خط واصل بین دماهای تر ورودی و خروجی بگذرد، ضریب به ای پسی را نشان میدهد که دمای خشک خروجی موردنظر را تأمین میکند. نقطهی شبنم دستگاه را میتوان در تقاطع انتخابی قرائت کرد. هر جا ضریب به ای پس کویلی خاص مجهول باشد، عملکرد کویل را میتوان روی نمودار ترسیم کرد و ضریب بایپس را در تقاطع خطوط دمای تر و دمای خشک خواند. بهاینترتیب میتوان ضرایب به ای پس کویل های مختلف را مستقیماً مقایسه کرد. هنگام انتخاب کویل سرمایش در ارتباط بافرم برآورد بار تهویه مطبوع، ضریب به ای پس کویل انتخابی باید با ضریب به ای پس فرض شده در برآورد توافق معقولی داشته باشد. اگر چنین توافقی وجود نداشته باشد، برآورد را، باید اصلاح کرد.
در تعیین مقدار نامی برای کویل سمت تبرید، کویلی آزمایشی بر اساس نقطهی شبنم دستگاه انتخاب میشود. نمودار ۶ و جدول ۷ مقدارهای نامی نقطهی شبنم سمت مبرد را، به ترتیب، برای کویل های آب سرد و کویل های انبساط مستقیم نشان میدهند. از این نوع نمودار در مرحلهی دوم روش دومرحلهای توصیفشده در بالا استفاده میکنند.
جدول ۸ مقدار نامی دمای تر ورودی در کویل های انبساط مستقیم را نشان میدهد. از این روش نمایش مکرراً استفاده میشود و ممکن است از روش نقطهی شبنم دستگاه اقتباسشده یا نشده باشد. برای کویل انبساط مستقیم، مدار بندی بهینهی کویل را سازنده در طرح کویل میگنجاند. ظرفیت کویل انبساط مستقیم کاهش مییابد و افت فشار مبرد افزایش مییابد که علت آن طول بیشتر مدار کویل است. این نکته حتی باوجود ثابت بودن سطح کویل صادق است.
کویل های آب سرد معمولاً با دو یا چند مدار بندی عرضه میشوند و انتخاب نهایی کویل تعیینکنندهی مدار بندی موردنظر است. کویلی که کمترین تعداد مدارها را داشته باشد، بیشترین رفتوبرگشت روی سطح کویل را خواهد داشت و برعکس. کویلی با مدار بندی حداقل، ظرفیت بالاتری دارد و به ازای مقدار مفروضی آب، افزایش دمای آب سرد در آن بالاتر است.
اما هر چه تعداد عبور از کویل با کمترین مدار بندی بیشتر شود، افت فشار، در مقایسه با کویلی با همان اندازه، اما با مدارهای بیشتر و دفعات عبور کمتر، بالاتر میرود. غالباً از کویل های با کمترین مدار بندی در سیستمهای بزرگ و گستردهای استفاده میکنند که در آنها هد لازم برای پمپ بیشتر از آن افزایش مییابد که کاهش هزینهی اولیهی لولهکشی و عایقکاری، بتواند هزینهی اضافی بهرهبرداری را جبران کند. با مفروض بودن عملکرد کویل در سمت هوا، هر چه اختلاف بین نقطهی شبنم دستگاه و دمای آب سرد ورودی بیشتر باشد مقدار آب موردنیاز کمتر خواهد شد. بنابراین انتخاب دمای آب سرد ممکن است مستلزم تحلیل اقتصادی هزینههای او و هزینههای بهرهبرداری از واحد تبرید در مقایسه با هزینهی سیستم لولهکشی باشد. انتخاب دمای آب اختیاری نیست اما تجربه نشان داده است که دمایی تقریباً ۵ درجه پایینتر از نقطهی شبنم دستگاه حداکثر دمای آبی است که باید در نظر گرفت تا سیستمی که طراحی میشود اقتصادی باشد. اگر مقدار آب لازم خیلی زیاد به نظر میرسد، میتوان دمای پایینتری را در نظر گرفت و تأثیر آن دراندازی دستگاه تبرید، توان ورودی، و هزینهی لولهکشی را بررسی کرد. با فرض ثابت بودن کویل، بارو نقطهی شبنم دستگاه، وقتی دمای آب سرد کاهش یابد، مقدار آب لازم نیز کاهش مییابد و خیز دما بیشتر میشود.
با استفاده از کویلی که مقدار کمتری آب با خیز دمای بالاتر لازم دارد، میتوان از مزایای زیر بهره گرفت:
۱
الف. میتوان دستگاه تبرید کوچکتری انتخاب کرد، یا
ب. توان موردنیاز را، با ثابت نگهداشتن دستگاه تبرید، و بهرهبرداری از آن با دمای بالاتری در اواپراتور کاهش داد، یا
ج. لولهکشی کندانسور، با تجهیزات دفع گرما را، با ثابت نگهداشتن دستگاه تبرید، کاهش داد؛ به این منظور باید دمای چگالش را بالاتر گرفت و مقدار آب کندانسور را کاهش داد.
۲
کاهش هزینهی توزیع آب سرد با صرفهجویی در هزینهی لولهکشی، پمپ و عایقکاری امکانپذیر میشود. حداقل مقدار آب سرد در معرض محدودیت دیگری نیز هست و آن سرعت لازم برای انتقال حرارت مؤثر است. عدد رینولدز حداقلی برابر ۳۵۰۰ پیشنهاد میشود تا عملکرد قابل پیشبینی و مؤثر کویل تضمین شود. حداقل جریان آب لازم برای حفظ این عدد رینولدز تقریباً gpm 0.9 برای هر مدار در کویلی با قطر خارجی in8/5 است. اگر قطر خارجی لولهی کویل را in 1/2 در نظر بگریم، جریان حداقل پیشنهادی gpm 0.7 به ازای هر مدار است.
آب چاه را میتوان در کویل های آب سرد به گردش درآورد، هرگاه مقدار آن کافی و دمای آن قابلقبول باشد. اما دمای آب چاه معمولاً بهاندازهی کافی پایین هست تا فقط سرمایش محسوس ایجاد کند و گرمای نهان کمی را حذف کند، یا اصلاً گرمای نهان حذف نکند. در چنین موردی، آب چاه را میتوان در کویل پیش سردکن بهکار برد و بخشی از گرمای محسوس را حذف کرد. پاسخگویی به بار سرمایشی باقیمانده، محسوس و نهان، با استفاده از تبرید تکمیلی انجام میگیرد.
باید از توصیههای سازندگان در مورد حداکثر و حداقل بارگذاری کویل انبساط مستقیم پیروی کرد. انتخاب کویل در بارگذاریهایی پایینتر از مقدار حداقل سبب برگشت نامطلوب روغن، توزیع ضعیف مبرد و یخ زدن کویل خواهد شد.
تصحیحات اتمسفریک
مقدار نامی کویل های سرمایش بر اساس شرایط اتمسفریک استاندارد با فشار اتمسفریک in 29.92 تعیین میشود. برای فشارهای اتمسفریک دیگر، مانند فشار جو در ارتفاعات بالاتر از ۲۵۰۰ فوت، قبل از انتخاب کویل باید تصحیحی در مورد مقدار هوا انجام داد.
با فرض انجام تصحیحات ضروری در موردمحاسبهی بار و ضریب گرمای محسوس بهصورتی که در بخش ۱ شرح داده شد، برای انتخاب یونیت باید راهکار زیر را در پیش گرفت:
۱٫ نسبت چگالی را از فصل ۱، نمودار ۲، بهدست آورید.
۲٫ مقدار محاسبهای هوای رطوبتزدایی شده را در نسبت چگالی ضرب کنید تا جریان هوای معادل در سطح دریا حاصل شود.
۳٫ از این مقدار تصحیحشدهی هوا، همراه با بار سرمایشی محاسبهشده و مقدار نامی کویل در سمت مبرد در سطح دریا، برای تعیین جریان آب در کویل و افت فشار، یا دمای مبرد استفاده کنید.
از مقدار محاسبهشدهی هوای رطوبتزدایی شده، بدون انجام هیچگونه تصحیحی، برای تعیین اندازهی یونیت و سرعت سطحی کویل استفاده میشود. افت فشار در سمت هوای کویل را باید تصحیح کرد.