مبدل حرارتی هوا خنک (Air Cooled Heat Exchanger)
طی دهه های گذشته، استفاده از هوا به عنوان سیال خنک کننده و جایگزین برای آب، برای مصارف خانگی و صنعتی، افزایش یافته است. مبدل های حرارتی هوا خنک (خنک شونده با هوا)، بخش مهمی از فناوری انتقال حرارت را شامل می شوند. این نوع مبدل ها بطور وسیع برای خنک کردن مایعات و چگالش بخارها استفاده می شوند.
مزایای استفاده از مبدل حرارتی هوا خنک
اساسی ترین مزیت هوا بعنوان سیال خنک کننده، در دسترس بودن آن است. به علاوه در استفاده از آن، نیازی به سیستم های لوله کشی و پمپاژ مربوط به تغذیه آب خنک کننده و مشکلی در مورد رسوب و اثرات شیمیایی و حرارتی مضر بر محیط، وجود ندارد. هوا، تمیز و به لحاظ شیمیایی غیرفعال می باشد و نیازی به تصفیه یا فرآیندی برای جلوگیری تشکیل رسوب نیست. در صورتیکه این موارد برای آب نیاز است.
معمولا تشکیل رسوب و یا خوردگی در سمت هوای مبدل کم است، اگرچه این امر به محل قرارگیری مبدل حرارتی هوا خنک نیز مربوط می گردد. در نتیجه مبدل های حرارتی هوا خنک، در مقایسه با سیستم های آب خنک، نیاز کمتری به تعمیر و مراقبت توسط افراد فنی دارند. همچنین به دلیل ساختار نسبتا ساده و عدم وجود واحد کمکی تصفیه سیال خنک کن، مبدل های حرارتی هوا خنک هزینه اولیه کمتری در مقایسه با مبدل های حرارتی مشابه آب خنک دارند.
معایب استفاده از مبدل حرارتی هوا خنک
معایب اصلی هوا به عنوان سیال خنک کننده، ضریب تبادل حرارتی کوچک، دانسیته و ظرفیت گرمایی کم آن می باشد. ضرایب انتقال حرارت، با لوله های ساده (بدون پره) در سرعت های هوا که به لحاظ اقتصادی ممکن می باشد (10 متر بر ثانیه)، کوچکتر از 100 W/m2.K هستند و بهبود بخشیدن ضرایب انتقال حرارت به وسیله لوله های پره دار (Finned Tube) حتی برای مقادیر متوسط تبادل حرارت نیز ضروری می باشد. در نتیجه، مبدل های حرارتی هوا خنک، نسبت به مبدل های مشابه آب خنک، بزرگتر هستند و نیاز به سازه های تکیه گاهی محکم تر و مساحت زمین و فضای بیشتری برای نصب دارند. به دلیل همین ابعاد بزرگ، مبدل های هوا خنک نمی توانند مانند مبدل های آب خنک، در هر جایی استفاده شوند. بعنوان مثال، سوار کردن آن ها در بالای برج های تقطیر برای چگالش بخار خروجی از بالای برج مشکل است.
در برخی محل ها، هوا گرم است و در نتیجه، اختلاف دمای موجود برای خنک کردن سیال عبوری از داخل لوله ها کوچک می باشد. این مورد، اغلب در هنگامی پیش می آید که بنا به موقعیت محل، تغذیه آب نیز با مشکل مواجه می باشد. باید توجه شود که مبدل های حرارتی هوا خنک، که هوا در آن ها توسط فن به حرکت در می آید، ممکن است پر سر و صدا باشند.
ساختار مبدل حرارتی هوا خنک
در مبدل های حرارتی هوا خنک، سیالی که باید خنک شود، در داخل دسته لوله های پره دار جریان می یابد، در حالیکه هوا بصورت جریان متقاطع از روی سطح خارجی لوله ها عبور می کند. جریان هوا ممکن است با عبور هوا در کانال یا برج، یا با عبور اجباری هوا بوسیله پروانه و موتور الکتریکی، ایجاد شود. شکل بندی های متعدد جریان، به همراه طرح های زیادی از نوع پره ها در این نوع مبدل استفاده می گردند.
آرایش دسته لوله ها و ایجاد جریان هوا در مبدل حرارتی هوا خنک
یک دسته لوله می تواند با عبور جریان هوا به شکل دمشی (اجباری Forced draft) یا مکشی (القایی Induced draft)، خنک شود. در حالت جریان دمشی، هوای مجاور به داخل پروانه (فن) کشیده می شود و پروانه به میزان اندکی که برای غلبه بر مقاومت هیدرولیکی عبور جریان از روی دسته لوله کافی باشد، فشار هوا را افزایش می دهد (معادل با چند میلی متر آب). در حالت جریان مکشی، پروانه به میزان اندکی فشار هوا را کاهش می دهد که برای کشیدن هوا از روی دسته لوله کافی است. در حالت اخیر، هوایی که وارد پروانه می شود، گرمتر از دمای هوای مجاور است و لذا چگالی آن کمتر از چگالی هوای محیط می باشد.
عبور هوا بصورت جریان طبیعی در مبدل حرارتی هوا خنک
در کاربردهای جریان طبیعی، نیروی به حرکت در آورنده جریان، از اختلاف چگالی هوای داخل مبدل و سازه متصل به آن و هوای مجاور مبدل و در بیرون آن، حاصل می شود. عموما برای حصول بازده موثر مبدل، سازه های بلندی با ارتفاع حدود 30 تا 45 متر نیاز خواهد بود. این سازه های مشابه سازه هایی هستند که برای برج های خنک کن استفاده می شود.
دسته لوله ها معمولا شامل تعداد کمی از ردیف های لوله هستند که در داخل قابی (معمولا مستطیلی شکل) قرار می گیرند و می توانند به شکل عمودی، افقی یا در وضعیت شیبدار قرار گیرند.
مزایا و معایب نسبی عبور جریان هوا به شکل دمشی و مکشی در مبدل حرارتی هوا خنک
مزایای جریان بصورت دمشی
- در نتیجه دمای هوای ورودی سردتر به پروانه و چگالی بزرگتر هوا، برای ایجاد نرخ جرمی مشخص، به توان الکتریکی کمتری نیاز است. به علاوه پروانه می تواند کوچکتر باشد و در نتیجه هزینه اولیه کمتری دارد.
- پروانه در مقایسه با حالت جریان مکشی، در جریان هوا خنک قرار دارد و نیاز به خنک کاری موتور پروانه، کاهش می یابد و یا منتفی می گردد.
- در هنگام بروز نشتی سیال فرآیندی از لوله ها، احتمال آلوده شدن پروانه یا موتور، با این فرض که سیال نشت یافته توسط جریان هوا برده می شود، کمتر است.
- در حالت قرارگیری دسته لوله بصورت افقی، پروانه نزدیک به زمین است و دسترسی به آن برای عملیات تعمیر و نگهداری آسان تر است.
معایب جریان بصورت دمشی
- در نتیجه دمای هوای ورودی سردتر به پروانه و چگالی بزرگتر هوا، برای ایجاد نرخ جرمی مشخص، به توان الکتریکی کمتری نیاز است. به علاوه پروانه می تواند کوچکتر باشد و در نتیجه هزینه اولیه کمتری دارد.
مزایای جریان بصورت مکشی
- توزیع جریان یکنواخت تر است.
- پروانه، دسته لوله را از جمع شدن برف، یا باران سنگین محافظت می نماید.
- از گردش و عبور مجدد هوای گرم به داخل دسته لوله جلوگیری می گردد.
معایب جریان بصورت مکشی
- فضای آزاد بزرگتر مورد نیاز برای اطمینان از توزیع یکنواخت جریان هوا
- میزان سر و صدای بیشتر
- خطر آسیب دیدگی پروانه یا موتور در اثر نشتی سیال فرآیندی
- کارکرد پروانه در دماهای گرمتر
کاربردهای مبدل حرارتی هوا خنک
مبدل های حرارتی هوا خنک در کاربردهای بسیار متنوعی مورد استفاده قرار می گیرند. کاربردهای معمول این نوع مبدل حرارتی شامل سیستم های خنک کننده روغن، آب و یا گلیکول، انواع مبردها در سیستم های گرمایشی و سرمایشی، نیروگاه ها، پالایشگاه ها و صنایع مختلف هستند.
منابع :
https://www.alfalaval.com/products/heat-transfer/finned-tube-air-heat-exchangers/finned-tube-air-heat-exchangers/finned-tube-air-heat-exchangers/
https://paraxcompany.com/%d9%85%d8%a8%d8%af%d9%84-%d8%ad%d8%b1%d8%a7%d8%b1%d8%aa%db%8c-%d9%87%d9%88%d8%a7-%d8%ae%d9%86%da%a9-%da%86%db%8c%d8%b3%d8%aa%d8%9f-%d9%82%db%8c%d9%85%d8%aa-%d9%85%d8%a8%d8%af%d9%84-%d9%87%d9%88%d8%a7/
https://www.thermaxglobal.com/process-cooling/air-cooled-heat-exchanger/#:~:text=Air%20Cooled%20Heat%20Exchanger%20(ACHE,is%20rejected%20to%20the%20atmosphere.&text=The%20process%20fluid%20passes%20through,fans%20mounted%20on%20the%20unit.
- ۰۰/۱۱/۱۶