جانمایی بهینه برای چیلرهای هوا خنک

جانمایی چیلرهای تراکمی هوا خنک اهمیت زیادی دارد. به‌عنوان‌مثال، بعضی وقت‌ها به دلایل ظاهری، چیلرها پشت‌نماهای معماری قرار داده می‌شوند یا در محل‌هایی که برای عابران پیاده غیرقابل مشاهده باشد.

بااین‌حال، این موضوع می‌تواند جریان هوای محیط به این چیلرها را محدود نماید. علاوه بر آن، ممکن است عملکرد و راندمان کندانسورهای خنک‌کننده تحت دمای زیاد محیط و شرایط طوفانی،

به علت برگشت جریان هوای داغ خروجی از فن‌های کندانسور به ورودی هوای چیلر کاهش یابد.

سرعت باد، جهت باد، فاصله میان چیلرها، فاصله از ساختمان و ارتفاع ساختمان و دیوار نما می‌تواند پراکندگی جریان‌های خروجی از چیلرها را تحت تأثیر قرار دهد و دمای هوای ورودی به کندانسور خنک‌کننده را افزایش دهد.

یک مطالعه دینامیک سیالات محاسباتی ( CFD) انجام‌شده تا اثر سرعت باد، جهت باد (جهت‌گیری چیلرها با توجه به جهت باد)، فاصله میان چیلرها و فاصله چیلرها از ساختمان‌های مجاور درک شود.

عملکرد خنک‌کنندگی کندانسورها در قالب الگوهای جریان هوا پراکندگی جریان‌های خروجی احاطه‌کننده چیلر و توزیع دمای هوا در ورودی هوای چیلر ارزیابی‌شده است.

میزان بازگردش جریان خروجی داغ به داخل ورودی‌های هوا و اثر آن بر عملکرد چیلر در قالب افزایش متوسط دمای هوای ورودی تخمین زده‌شده است.

نصب و تنظیم مجازی

یک مدل سه بعدی، حالت پایدار، غیر هم‌دما از مجموعه ۴ چیلر در این تحلیل ساخته‌شده است.

همان‌گونه که در شکل ۱ نمایش داده‌شده است، چیلرهای تراکمی هوا خنک در کنار یک ساختمان ۳ طبقه با ارتفاع ۴۰ فوت (۱۲ متر) و بَنای ۱۲۰۰۰۰ فوت مربع (۱۱۱۰۰ مترمربع) قرار داده‌شده‌اند.

هر چیلر با ۱۶ فن قرارگرفته در دو ردیف تجهیز شده‌اند. نرخ جریان هوای تأمین شده برای هر فن ۱۰۰۰۰ فوت مکعب (۴۷۰۰ لیتر بر ثانیه) فرض شده است و

افزایش دمای هوا ( AT) در سیم پیچ‌های کندانسور ۲۰ درجه فارنهایت (۱۱ درجه سلسیوس) فرض شده است.

بنابراین، هر چیلر ظرفیت اتلاف گرمای حدود ۳۴۷۰MBH (۱۰۲۰ کیلووات) دارد.

همان‌گونه که در شکل ۱C نشان داده‌شده است، ورودی‌های هوا در تمامی اطراف چیلرها قرار دارد و خروجی از فن‌های کندانسور در بالای این چیلرها جانمایی شده‌اند.

برای اهداف تحلیلی، دمای هوای محیط ۸۰ درجه فارنهایت (۷/۲۶ درجه سلسیوس) فرض شده است که نماینده شبیه‌ساز شرایط ۱٪ حباب خشک تابستان‌های عادی در شهرهایی مانند سندیگو است.

 

جهت‌های باد موازی و عمود بر ورودی‌های هوای (قرارگرفته در امتداد بعد طولانی) چیلر در این مطالعه تحلیل و بررسی‌شده‌اند.

جهت‌های باد نسبت به جهت‌گیری چیلرها با فلش‌هایی در شکل ۱ نمایش داده‌شده است.

این را می‌توان حتی به‌عنوان جهت‌گیری ورودی‌های هوای چیلر به سمت جهت باد غالب یادکرد.

حالت‌های زیر در این مطالعه تحلیل و بررسی‌شده‌اند. این تحلیل‌ها به‌صورت سینماتیک با تغییر تنها یک پارامتر به‌صورت همزمان انجام‌شده‌اند.

– سه سرعت باد، ۱۰mph، ۵mph و ۸km/h ) ۱۵mph، ۲۴km/h، ۱۶km/h) برای دو جهت باد تحلیل شدند،

در حالی که فاصله میان چیلرها ۱۲ فوت (۷/۳ متر) و فاصله از ساختمان مجاور ۱۰ فوت (۳ متر) در نظر گرفته‌شده است.

 

 

-فاصله بین چیلرها بین ۶ فوت (۸٫۱ متر)، ۸ فوت (۴.۲ متر) و ۱۲ فوت (۷٫۳ متر) تغییر داده شد در حالی که فاصله از ساختمان مجاور ۱۰ فوت (۳ متر)،

سرعت باد در ۱۰mph (۱۶km/h ) و جهت باد موازی با ورودی‌های هوای (بعد طولانی) چیلر حفظ شد.
– فاصله چیلرها از ساختمان مجاور بین ۵ فوت (۵٫۱ متر)، ۱۰ فوت ( ۳ متر) و ۱۵ فوت (۶٫۴ متر) تغییر داده شد؛

در حالی که فاصله میان چیلرها به مقدار ۱۲ فوت (۷.۳ متر)، سرعت باد در ۱۰mph (۱۶km/h ) و جهت باد موازی با ورودی‌های هوا (بعد طولانی) چیلرها حفظ شد.

 

 

اثر سرعت باد بر روی چیلرهای تراکمی هوا خنک

افزایش سرعت باد می‌تواند منجر به افزایش دماهای هوای ورودی شود که می‌تواند عملکرد و راندمان چیلر هوا خنک را کاهش دهد.

شکل ۲ و ۲A به ترتیب، توزیع دما در ورودی‌های هوای چیلر و پراکندگی به وجود آمده جریان خروجی از بالای چیلرها را نمایش می‌دهد.
در این حالت وقتی‌که جهت باد موازی ورودی‌های هوا باشد، چیلرها در سمت پشت به باد ساختمان جانمایی شده‌اند که به نقطه ناحیه ضعیف_ناحیه‌ای با فشار کم_شکل یافته است.

با افزایش سرعت باد، فشار در ناحیه ضعیف کاهش می‌یابد و گستره فضایی چنین ناحیه کم‌فشاری که چیلرها را احاطه کرده، افزایش می‌یابد.

درنتیجه با افزایش سرعت باد، جریان گرم از خم‌های به سمت پایین اگزوزهای فن بیرون آمده و به داخل ورودی‌های چیلر می‌رود.

همان‌گونه که در شکل ۲A نمایش داده‌شده است، در حالتی که سرعت باد کم باشد ( ۸kmph/5mph)، جریان گرم به‌طور قائم با سمت بالا بیرون آمده و از ورودی چیلر دور می‌شود.

 

با افزایش سرعت باد از (۸kmph/5mph) به (۲۴kmph/15mph) جریان خروجی در حالت سرعت باد (۲۴kmph/15mph) میل به خم شدن به سمت پایین دارد و حتی معمولاً به زمین می‌رسد.
بااینکه افزایش سرعت باد می‌تواند نرخ جریان هوای محیط را افزایش دهد که می‌تواند جریان‌های خروجی با دمای بالا را رقیق کند،

خم شدن جریان‌های با دمای بالا به سمت ورودی‌های هوای چیلر چنین رقیق شدنی را بر اثرات وضعیت بادهای زیاد غلبه می‌کند.

در تمام این حالت‌ها، چیلرهای انتهایی (CH1)و (CH4) کمتر از چیلرهای میانی (CH2) و (CH3) تحت تأثیر قرارگرفته‌اند.

به‌طور مشابه، ورودی‌های هوا در وسط یک ردیف چیلر بالاترین دمای هوا و احتمالاً کاهش عملکرد و راندمان بالاتری را نسبت به ورودی‌های هوا در دو انتهای ردیف نمایش می‌دهد.

با افزایش سرعت باد، محل‌های دارای بالاترین دمای هوای ورودی به سمت اطراف ساختمان حرکت می‌کند.

علت آن این است که با افزایش سرعت باد جریان‌های خروجی تمایل به حرکت رو به‌عقب به سمت ناحیه کم‌فشار و وارد شدن به ورودی‌های نزدیک‌تر به ساختمان دارند.

 

 

اثر جهت‌گیری چیلرهای تراکمی هوا خنک

 

هنگامی‌که جهت باد عمود بر ورودی‌های هوای چیلر بعد طولانی باشد، افزایش سرعت باد منجر به افزایش دمای هوای ورودی می‌شود (شکل ۳).

در این حالت، ورودی جلویی اولین چیلر ( CH1) مستقیماً روبروی بادی است که به سمت آن می‌آید و درنتیجه کمترین دمای هوای ورودی را تجربه می‌کند.

ازآنجایی‌که سایر چیلرها در ناحیه دنباله اولین چیلر هستند، دمای هوای ورودی بالاتری را تجربه می‌کنند.

مشابه حالت پیشین در سرعت باد کم، جریان هوای داغ به‌طور قائم به سمت بالا حرکت می‌کند و با افزایش سرعت باد، جریان خروجی به سمت پایین خم می‌شود و تقریباً به زمین می‌رسد.

برای تمام سرعت‌های باد، ورودی‌های هوای داخلی (CH2) و (CH3) دمای هوای ورودی بالاتری را نسبت به آنهایی که خارجی هستند ( CH1) و (CH4) تجربه می‌کنند.

با جاری شدن جریان‌های خروجی داغ در جهت باد، جریان‌های چیلرهای در جهت رو به باد از روی چیلرهای مجاور حرکت می‌کنند و درنتیجه وارد ورودی‌های چیلرهای پشت به باد می‌شوند.

همان‌گونه که در شکل ۳ نشان داده‌شده است، اثر چنین حرکت آبشاری جریان با افزایش ساعت باد، غالب می‌گردد که منجر به دمای هوای ورودی بالاتر،

خصوصاً برای ورودی‌های قرارگرفته در مرکز هر ردیف می‌شود (CH2 و CH3) ازآنجایی‌که جهت باد عمود بر بعد طولانی چیلرهای است،

هوای محیط می‌تواند به‌راحتی وارد مسیر و جناح چیلرها از انتهای جلو و عقب چیلر شود.

 

درنتیجه، توزیع دمای ورودی‌های هوای چیلرهای تراکمی هوا خنک تقریباً متقارن است:

در مرکز زیاد و در انتهای جلو و عقب کم شکل ۴ اثر سرعت باد و جهت باد بر دمای هوای ورودی متوسط چیلرها را نمایش می‌دهد.

این نمودارها متوسط دمای هوای ورودی را در مقایسه با توزیع دما در وجه ورودی نمایش می‌دهند.

دمای هوای ورودی بالاتر، نشانه بازگردش بیشتر جریان‌های خروجی داغ به داخل ورودی‌های هوای چیلر است و می‌تواند منجر به کاهش عملکرد بیشتر شود.

به علت اثر آبشاری کشیدن جریان داغ، دمای متوسط هوای ورودی در مواقعی که جهت باد عمود بر ورودی‌های هوا باشد، بیشتر است.

برای هر دو جهت‌گیری، افزایش سرعت باد، متوسط دمای هوای ورودی را افزایش می‌دهد.

بااین‌حال، چنین افزایشی هنگامی‌که سرعت باد به (۲۴kmph/15mph) برسد و ورودی‌های هوا موازی جهت باد باشد، بسیار بیشتر است (شکل ۴A).

برخلاف آن هنگامی‌که ورودی‌های هوا عمود بر جهت باد قرارگرفته باشند (شکل ۴B)، متوسط دمای هوای ورودی با افزایش سرعت باد به‌تدریج افزایش می‌یابد.

در هر دو حالت، چیلرهای داخلی (CH2) و CH3)) دمای هوای ورودی بالاتری را نسبت به چیلرهای خروجی نمایش می‌دهند (CH1 و CH4).

 

اثر فاصله میان چیلرها

دمای هوای ورودی با کاهش فاصله چیلرها از ۱۲ فوت (۷/۳ متر) به ۶ فوت (۸.۱ متر) افزایش می‌یابد.

شکل ۵ اثر فاصله میان چیلرها بر توزیع دمای ورودی چیلرها را نمایش می‌دهد.

در حالت فاصله بیشتر ۱۲ فوت، هوای محیط ترجیحاً از انتهای دور از ساختمان وارد مسیر ورودی چیلر می‌شود. این نشان‌دهنده مقاومت بیشتر برای ورود هوا از جناح ساختمان مجاور است.

هنگامی‌که فاصله میان چیلرها کاهش می‌یابد، هوای محیط نمی‌تواند به مرکز جناح چیلرها برسد و درنتیجه جریان‌های خروجی داغ را به بازگشت به ورودی‌های هوا سوق می‌دهد.

این مسئله از دماهای بالاتر هوا در بالای ورودی‌های هوا که در شکل ۵ نمایش داده‌شده است، بسیار واضح‌تر است.

 

در این شکل دمای جریان خروجی و چگونگی پراکندگی آن در بالای چیلرها نمایش داده‌شده است.

هنگامی‌که چیلرها در فاصله ۱۲ فوت (۷/۳ متر) از یکدیگر قرار می‌گیرند، جریان‌های خروجی داغ از یکدیگر جداشده و تمایل دارند که مستقیماً به سمت بالا حرکت کنند.

با کاهش فاصله، این جریان‌ها به یکدیگر نزدیک شده و بیشتر و عمیق‌تر به جناح و مسیر ورودی چیلرها وارد می‌شوند.

این از دمای فزاینده داخل مسیرهای ورودی مشخص می‌شود (شکل ۵A) برای هر دو جهت‌گیری، افزایش سرعت باد، متوسط دمای هوای ورودی را افزایش می‌دهد.

بااین‌حال، چنین افزایش به هنگامی‌که سرعت باد به (۲۴kmph/15mph) برسد و ورودی‌های هوا موازی جهت باد باشد، بسیار بیشتر است (شکل ۴A).

برخلاف آن هنگامی‌که ورودی‌های هوا عمود بر جهت باد قرارگرفته باشند (شکل ۴B)، توسط دمای هوای ورودی با افزایش سرعت باد به‌تدریج افزایش می‌یابد.

در هر دو حالت، چیلرهای داخلی (CH2 و CH3) دمای هوای ورودی بالاتری را نسبت به چیلرهای خروجی نمایش می‌دهند (CH1 و CH4).

 

اثر فاصله از ساختمان مجاور

دمای هوای ورودی با کاهش فاصله میان ساختمان مجاور و چیلرها افزایش می‌یابد.

شکل ۶ اثر فاصله چیلرها از دیوار ساختمان مجاور بر توزیع دمای ورودی‌های هوای چیلر را نمایش می‌دهد.

هنگامی‌که چیلرها نزدیک‌تر به ساختمان مجاور قرار می‌گیرند، بیشتر به داخل ناحیه ضعیف حرکت کرده‌اند ناحیه‌ای کم‌فشار.

درنتیجه جریان‌های خروجی داغ از چیلرها به سمت ساختمان حرکت کرده و فضای میان ساختمان و چیلرها را با هوای داغ اشباع می‌کنند.(شکل ۶A).

دور کردن چیلرها از ساختمان مجاور فضا برای هوای محیط جهت ورود از هر دو انتهای چیلرها را فراهم می‌کند و به کاهش دمای هوای ورودی کمک می‌نماید.

شکل ۷ اثر فاصله میان چیلرها و فاصله چیلرها از ساختمان مجاور بر متوسط دمای هوای ورودی چیلرها را نمایش می‌دهد.

 

همان‌گونه که پیش‌تر اشاره شد، نمودارها متوسط دمای هوای ورودی در مقایسه با توطیع دمای هوا در وجه ورودی را نشان می‌دهد و گستره جناح جریان‌های داغ را مشخص می‌کند.

شکل ۷A نشان می‌دهد که کاهش فضای میان چیلرها، متوسط دمای هوای ورودی را افزایش می‌دهد.

کاهش فاصله میان چیلرها از ۱۲ فوت (۷٫۳ متر) با ۶ فوت (۸٫۱ متر) متوسط افزایش دمای هوای ورودی را از ۶ درجه فارنهایت (۳/۳ درجه سلسیوس) به نزدیک ۱۲ درجه فارنهایت (۶/۶ درجه سلسیوس) افزایش می‌دهد.

با کاهش فاصله چیلرها به ۶ فوت (۸٫۱ متر)، افزایش قابل‌توجهی در متوسط دمای هوای ورودی رخ می‌دهد.
شکل ۷B نشان می‌دهد که دمای هوای ورودی با افزایش فاصله میان چیلرها و ساختمان، کاهش می‌یابد.

بااین‌حال، این تحلیل مشخص می‌کند که اثر افزایش فاصله بر دمای هوای ورودی بعد از فاصله ۱۰ فوت (۳ متر) بسیار کمتر اهمیت دارد.

این تحلیل‌ها برای سرعت باد (۱۶kmph/10mph) انجام شدند. احتمال دارد که برای سرعت‌های بالاتر این نتایج روند متفاوتی را نمایش دهد.

مقایسه‌ای از این دو نمودار نشان می‌دهد که فاصله میان چیلرها نسبت به فاصله چیلرها از ساختمان، اثر بیشتری روی دمای هوای ورودی دارد.

 

 

خلاصه و نتیجه‌گیری در زمینه ی چیلرهای تراکمی هوا خنک

یک تحلیل CFD از تعدادی چیلرهای تراکمی هوا خنک در مجاورت یک ساختمان ۳ طبقه نشان می‌دهد که افزایش سرعت باد،

منجر به افزایش بازگردش جریان‌های خروجی به داخل ورودی چیلر خواهد بود که منجر به دمای هوای ورودی بیشتر می‌شود.
در سرعت‌های کمتر، جریان‌های خروجی تمایل دارند که به‌طور قائم (رو به بالا) از چیلرها دور شوند.

بااین‌حال، با افزایش ممکن است رو به پایین و به سمت ورودی‌های چیلر خم شوند که نتیجه آن بازگردش بیشتر است.

با جهت‌دهی ورودی‌های چیلر به حالت عمود بر جهت باد غالب، جریان‌های خروجی از سمت رو به باد چیلرها به داخل سمت پشت به باد چیلرها وارد می‌شوند و این اثر آبشاری در سرعت‌های باد بالاتر غالب می‌شود.
این مطالعه همچنین مشخص می‌کند که فاصله میان چیلرها اثر بزرگ‌تری روی بازگردش جریان‌های خروجی داغ نسبت به فاصله از ساختمان مجاور دارد.

 

در شرایط واقعی، سرعت‌ها و جهت‌های باد غالب ممکن است به‌طور قابل‌توجهی از مکانی به مکان دیگر تغییر کند.

همچنین نوع زمین و سازه‌های اطراف می‌تواند گستره بازگردش جریان خروجی می‌تواند در هر شرایطی فرق کند.

در چنین شرایطی، تحلیل‌های CFD می‌تواند دید کلی ارزشمندی در بهینه‌سازی جهت‌گیری، فاصله میان چیلرها و فاصله چیلرها از ساختمان‌ها مجاور به‌دست دهد.

بر اساس دید کلی از این مطالعه، جانمایی ورودی‌های هوای چیلر به‌صورت موازی با جهت باد غالب بافاصله حداقل ۱۰ فوت (۳ متر)

از چیلرهای مجاور و حداقل ۱۰ فوت از ساختمان مجاور، می‌تواند بازگردش مضر جریان‌های خروجی به داخل ورودی‌های چیلر را کاهش داده و همچنین منجر به کاهش احتمالی سطح عملکرد مناسب چیلر شود.

 

References
۱٫ Borghei L., K. Ramin. 2010. Wind effects on air-cooled condenser performance. New Aspects of Fluid Mechanics, Heat Transfer, and Environment. 8th IASME/WSEAS International Conference on Fluid Mechanics and Aerodynamics.
۲٫ Maulbetsch, J., M. N. DiFilippo. 2010. Effect of wind on the performance of air cooled condensers. Energy Research and Development Division Final Project Report. CEC-500-2013-065. California Energy Commission.
۳٫ Rupeshkumar, A., V. Ramani, B.A. Paul, A. Saparia. 2011. Performance characteristics of an air-cooled condenser under ambient conditions. International Conference on Current Trends in Technology, NuiCONE.