جریان‌های مبرد و آب در اواپراتور پوسته-لوله در چیلر تراکمی
اواپراتور پوسته-لوله (Shell-and-Tube Evaporator) یکی از رایج‌ترین انواع مبدل‌های حرارتی در چیلرهای تراکمی است. در این مقاله به بررسی جریان‌های مبرد و آب، تعامل‌های حرارتی و هیدرودینامیکی، و نکات طراحی و بهره‌برداری از دیدگاه مهندسی مکانیک پرداخته می‌شود.
توصیف کلی و پیکربندی جریان‌ها
اواپراتور پوسته-لوله معمولاً شامل مجموعه‌ای از لوله‌ها (Tube bundle) قرار گرفته درون یک پوسته است. در یک چیلر تراکمی معمولی، مبرد در داخل لوله‌ها جریان می‌یابد و آب یا محلول سرد شونده (مثلاً آب خنک‌کننده مصرفی ساختمان) در پوسته جریان دارد؛ یا بالعکس بسته به طراحی، مبرد در پوسته و آب در لوله‌ها گردش می‌کند. در اکثر کاربردهای تهویه مطبوع، جریان آب معمولاً در پوسته است تا امکان نگه‌داری و دسترسی به لوله‌ها تسهیل شود.
جریان مبرد: فاز و انتقال حرارت
مبرد ورودی به اواپراتور از حالت مایع‌رطوب یا مایع تحت شرایط اشباع وارد می‌شود و در طول لوله‌ها به تدریج تبخیر می‌گردد. این فرآیند شامل سه ناحیه حرارتی است:
- گرم شدن مایع (احیاناً کوتاه): افزایش دمای مبرد مایع تا رسیدن به نقطه جوش.
- تبخیر هم‌دما (اصلی): تغییر فاز مایع به گاز در دمای تقریبی اشباع؛ در این ناحیه جذب حرارت ویژه زیاد است.
- افزایش دمای بخار (در صورتی که فرایند فراتر از تبخیر کامل برود): در چیلرها معمولاً تا حد زیادی از این ناحیه جلوگیری می‌شود تا مبرد به کمپرسور خشک وارد شود.
نحوه توزیع جریان مبرد (جریان تک‌مرحله‌ای، چند کاناله، یا توزیع‌شده با تیوب‌های بافته یا u-tube) تاثیر مستقیم بر ضریب انتقال حرارت داخلی و افت فشار دارد. جریان دو فازی در لوله‌ها پیچیدگی‌های هیدرودینامیکی و انتقال حرارتی ایجاد می‌کند که نیاز به مدل‌های تجربی و ضریب انتقال حرارت تابعی از عدد گردش (Re)، نسبت گاز-مایع و هندسه دارد.
جریان آب: توزیع و ضریب انتقال حرارت خارجی
آب سرد مصرفی در پوسته حول لوله‌ها جریان می‌یابد و گرما را از آب جذب می‌کند. ویژگی‌های مهم جریان آب شامل:
- نوع جریان: آرام یا آشفته که با عدد رینولدز تعیین می‌شود؛ جریان آشفته ضریب انتقال حرارت به مراتب بیشتری ارائه می‌دهد.
- ضریب کلی انتقال حرارت: ترکیب مقاومت‌های حرارتی داخل لوله (مبرد)، دیواره لوله (هدایت)، و مقاومت در پوسته (آب) تعیین‌کننده U کلی است.
- افت فشار و توزیع سرعت: طراحی براکت‌ها (baffles) در پوسته جهت هدایت جریان و افزایش ضریب انتقال حرارت اما به قیمت افزایش افت فشار انجام می‌شود.
تعاملات و ملاحظات طراحی
- کنترل خوردگی و رسوب‌گذاری: کیفیت آب و مدیریت شیمیایی برای جلوگیری از رسوب روی لوله‌ها حیاتی است؛ رسوب کاهش قابل توجهی در ضریب انتقال حرارت ایجاد می‌کند.
- تغییرات جزئی فشار مبرد: افت فشار مبرد در لوله‌ها موجب کاهش دمای تبخیر موضعی و تغییر در نسبت تبخیر می‌شود؛ طراحی باید افت فشار را بهینه کند.
- هندسه لوله‌ها و مواد: قطر، ضخامت، فاصله بین لوله‌ها و جنس (معمولاً مس یا فولاد ضدزنگ) روی کارایی تاثیر دارد.
- حفاظت کمپرسور: اطمینان از ورود مبرد کاملاً بخار به کمپرسور (جلوگیری از برگشت مایع) از طریق کنترل‌های سطح و سوپرهیت مورد نیاز است.
- بازده انرژی و بهینگی فصلی: انتخاب استراتژی جریان، سطح تبادل و هدرای کم افت می‌تواند COP چیلر را بهبود دهد.
نتیجه‌گیری
در اواپراتور پوسته-لوله چیلر تراکمی، رفتار جریان مبرد دو فازی داخل لوله‌ها و جریان آب در پوسته با هم تعامل پیچیده‌ای دارند که ضریب انتقال حرارت کلی و عملکرد سیستم را تعیین می‌کند. طراحی موفق مستلزم موازنه بین افزایش انتقال حرارت (مثلاً با استفاده از بفل‌ها و جریان آشفته)، کنترل افت فشار، مدیریت رسوب و خوردگی، و تضمین حفاظت از کمپرسور است. با استفاده از مدل‌های تجربی برای جریان دو فازی و تحلیل‌های هیدرودینامیکی می‌توان به طرحی دست یافت که هم بازده حرارتی بالا و هم پایداری عملکردی مناسب را تأمین کند.
