مبدل‌های حرارتی اساساً با عبور دو سیال از کنار یکدیگر، بدون اختلاط، عمل تبادل حرارت را انجام می‌دهند. در این فرآیند، گرمای سیال گرم به سیال سرد منتقل می‌شود. مبدل‌های حرارتی در طیف وسیعی از کاربردها از جمله صنایع، سیستم‌های تهویه مطبوع، خودرو و صنایع غذایی استفاده می‌شوند.
اواپراتورها یکی از اجزای اصلی در سیستم‌های تهویه مطبوع هستند که وظیفه تبادل حرارت بین مبرد و آب یا هوا را به عهده دارند. به طور کلی، دو نوع اواپراتور رایج در سیستم‌های تهویه مطبوع وجود دارد که عبارتند از اواپراتور پوسته و لوله و اواپراتور صفحه‌ای. انتخاب نوع اواپراتور مناسب به عوامل مختلفی بستگی دارد، از جمله ظرفیت سیستم تهویه مطبوع، نوع سیال، فشار و دما و محدودیت‌های فضایی.
مثال چیلر نمونه‌ای عالی از کاربرد مبدل‌های حرارتی است. در چیلر، اواپراتور نوعی مبدل حرارتی است که در آن مبرد و آب بدون اختلاط با یکدیگر جریان دارند. در این فرآیند، مبرد گرمای آب را جذب می‌کند و باعث خنک شدن آن می‌شود.
مراحل تبادل حرارت در اواپراتور چیلر به شرح زیر است:
- آب گرم: آب گرم از طریق لوله‌های اواپراتور جریان می‌یابد.
- مبرد: مبرد با فشار کم و به صورت مایع از طریق لوله‌های دیگر اواپراتور جریان می‌یابد.
- جذب گرما: مبرد گرمای آب را جذب می‌کند و به بخار تبدیل می‌شود.
- کاهش دمای آب: با جذب گرما توسط مبرد، دمای آب کاهش می‌یابد.
- افزایش فشار مبرد: بخار مبرد با فشار کم از اواپراتور خارج شده و به سمت کمپرسور هدایت می‌شود.
فهرست مطالب
اواپراتور چیست؟
اواپراتور (تبخیرساز)(evaporator) از قطعات اصلی در سیستم‌های خنک‌کننده است. هدف این وسیله سردسازی و سرمایش بوده و این کار را توسط جذب گرما از ناحیه‌ای که نیاز به خنک‌شدن دارد، انجام می‌دهد. در عمل این دستگاه‌ها نوعی مبدل حرارتی هستند که از لوله‌های مارپیچ استفاده می‌کنند تا سطح انتقال دما را بالا ببرند. در این دستگاه سیال (مایع یا گاز) درون این لوله‌های مارپیچ‌شکل حرکت کرده و با جذب گرما از ناحیه‌ی خارجی لوله ها، کار سردسازی را انجام می‌دهد.
سیال مبرد (سردکننده) پس از عبور از شیر انبساط وارد اواپراتور می‌شود؛ اواپراتور برخلاف کندانسور کار می‌کند، در اینجا مایع مبرد به گاز تبدیل می‌شود زیرا گرما را از هوای محفظه جذب می کند. هنگامی که مبرد مایع به اواپراتور می‌رسد، فشار آن به آرامی کاهش یافته است و محتوای گرمای آن را از بین می‌برد و آن را بسیار خنک تر از هوای فن اطراف آن می‌کند. در این روش، انرژی حرارتی از محیط اطراف جذب شده و محیط خنک می‌شود. به این ترتیب حالت مبرد از مایع به بخار تغییر می‌کند و این بخار (گاز) از طریق لوله‌ی مکش به کمپرسور برمی‌گردد. به همین دلیل به اواپراتور، دستگاه تبخیرکننده (Evaporator) گفته می‌شود. عملکرد مفید اواپراتور به نوع سیال، مقدار سطح تبادل حرارتی، جنس لوله‌ها و تفاوت درجه حرارت سیال با محیط بستگی دارد. از هر دو نوع اواپراتور هوایی و آبی در سیستم‌های برودتی مانند یخچال، کولر گازی، چیلر، آب سردکن و نیز تجهیزات صنعتی مانند سردخانه‌ها استفاده می‌شود.
اواپراتور چیلر
در چیلر نیز اواپراتور بخش اصلی سیستم تبرید محسوب می‌شود. اواپراتورهای آبی در چیلر نوع آبی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این وسیله، اواپراتور آب را خنک کرده و سپس این آب بعد از واردشدن به فن کویل یا هواساز، باعث خنک‌سازی هوا می‌شود. امروزه چیلر موارد استفاده‌ی فراوانی در منازل و اماکن صنعتی پیدا کرده است.
به‌طور کلی، ساختار چیلرها در دو نوع تراکمی یا جذبی است و چون وظیفه‌ی چیلر خنک نمودن سیالات است که غالباً این سیال محلول آب با ضدیخ یا افزودنی‌ها دیگر می باشد؛ این عملیات خنک‌سازی آب درون اواپراتور انجام می‌شود. اواپراتور مورد استفاده در چیلرهای تراکمی از نوع آبی بوده و معمولاً از دو مدل پوسته و لوله یا صفحه‌ای مورد استفاده است.
نحوه‌ی عملکرد اواپراتور چیلر به این صورت می‌باشد که مبرد پس از متراکم‌شدن درون کمپرسور به سمت کندانسور هدایت می‌شود که در این مرحله حرارت مبرد کاهش یافته و از حالت بخار به مایع تبدیل می‌شود. پس از تبدیل به مایع از کندانسور خارج شده و به سمت اواپراتور هدایت می‌شود و قبل از ورود به اواپراتور، ابتدا از شیر انبساط عبور می‌کند تا فشار آن کاهش یابد. پس از افت فشار شدید به درون اواپراتور منتقل شده و در این حالت مبرد تحت دمای لوله‌ها قرار گرفته و آماده تبخیرشدن می‌گردد؛ که با دریافت گرمای نهان تبخیر خود از محیط از مایع به بخار تبدیل می‌شود.
عملکرد اواپراتور از این نظر اهمیت یافته که اگر به‌صورت عادی عمل نکند می‌تواند موجب یخ‌زدگی لوله‌های داکت اسپلیت شود که اگر چنین اتفاقی بیافتد احتمال برهم‌خوردن سیکل و یا کندشدن آن وجود دارد و در این صورت، چیلر بد عمل خواهد کرد.
اواپراتور پوسته و لوله
نامگذاری اواپراتور پوسته و لوله (SHELL & TUBE) به درستی انجام شده است و به طور دقیق اجزای اصلی آن را توصیف می‌کند. این نوع اواپراتور از دو بخش اصلی تشکیل شده است:پوسته و لوله‌ها. پوسته یک محفظه فلزی است که لوله‌ها را در داخل خود جای می‌دهد. پوسته معمولاً از جنس فولاد، مس یا آلومینیوم ساخته می‌شود. لوله‌ها مسیری هستند که مبرد در داخل آنها جریان می‌یابد. لوله‌ها نیز معمولاً از جنس مس یا آلومینیوم ساخته می‌شوند. علاوه بر پوسته و لوله، اجزای دیگری نیز در اواپراتور پوسته و لوله وجود دارند، از جمله تیوب شیت، بافل و سایر اتصالات.
تیوب شیت صفحه‌ای فلزی است که لوله‌ها در آن قرار می‌گیرند. تیوب شیت وظیفه دارد لوله‌ها را در جای خود نگه دارد و از نشت مبرد جلوگیری کند. بافل‌ها صفحات فلزی هستند که در داخل پوسته قرار می‌گیرند و وظیفه دارند جریان سیال را در داخل پوسته هدایت کنند.
در چیلرهای نوع DX، اواپراتور وظیفه خنک کردن آب را به عهده دارد. این کار با تبادل حرارت بین آب و مبرد انجام می‌شود. مراحل کار اواپراتور به شرح زیر است:
- ورود آب: آب گرم از طریق لوله‌های ورودی وارد اواپراتور می‌شود.
- جریان آب: آب در داخل پوسته اواپراتور جریان می‌یابد.
- جریان مبرد: مبرد با فشار کم و به صورت مایع از طریق لوله‌های داخل پوسته اواپراتور جریان می‌یابد.
- تبادل حرارت: مبرد گرمای آب را جذب می‌کند و به بخار تبدیل می‌شود.
- خروج آب: آب خنک شده از طریق لوله‌های خروجی از اواپراتور خارج می‌شود.
- خروج مبرد: بخار مبرد از طریق لوله‌های خروجی اواپراتور خارج شده و به سمت کمپرسور هدایت می‌شود.
آب می‌تواند از یک سمت وارد و از سمت دیگر خارج شود، یا به صورت رفت و برگشتی در داخل پوسته جریان یابد. مبرد معمولاً از یک سمت وارد و از سمت دیگر خارج می‌شود.
پس به عبارت بهتر، روش کار اواپراتور در چیلر به این صورت است که در نوع DX آن، آب درون پوسته و مبرد درون لوله‌ها جریان دارد. در واقع آب از یک طرف وارد شده و از سمت دیگر خارج می‌شود. مبرد نیز از یک طرف اواپراتور وارد شده و از درگاهی دیگر خارج می‌شود. این که جهت ورود و خروج سیال از یک سمت باشد، یا این جهات در طرف‌های مقابل هم در یک اواپراتور باشد، در ساخت این دستگاه‌ها متفاوت است و عاملی برای تولید انواعی از این اواپراتورها می‌باشد.
این دو سیال در چیلر با روشی که ذکر شد، کنار هم حرکت کرده و مبرد گرمای آب را می‌گیرد، و خود تبخیر می‌شود و برای ادامه کار به کمپرسور بازگردانده می‌شود. آبی که خنک شده نیز، برای استفاده به فن کویل ها و یا هواسازها ارسال می‌شود.
در اواپراتورهای پوسته و لوله، جنس لوله‌های داخلی معمولاً مس است. مس به دلیل رسانایی گرمایی بالا، انعطاف‌پذیری و مقاومت در برابر خوردگی، برای این منظور مناسب است. جنس پوسته اواپراتور معمولاً از کربن استیل است. کربن استیل به دلیل استحکام بالا، مقاومت در برابر فشار و دمای بالا و قیمت مناسب، برای ساخت پوسته اواپراتور مناسب است.
اواپراتورهای پوسته و لوله می‌توانند در دما و فشارهای بالا کار کنند. افت فشار در اواپراتورهای پوسته و لوله کمتر از اواپراتورهای صفحه‌ای است. اواپراتورهای پوسته و لوله به دلیل ساختار ساده و مستحکم، از قابلیت اطمینان بالایی برخوردارند.
اواپراتورهای پوسته و لوله به دلیل وجود پوسته، ابعاد بزرگتری نسبت به اواپراتورهای صفحه‌ای دارند. اواپراتورهای پوسته و لوله به دلیل استفاده از فلزات بیشتر، وزن بیشتری نسبت به اواپراتورهای صفحه‌ای دارند. راندمان اواپراتورهای پوسته و لوله به دلیل افت حرارتی بیشتر، کمتر از اواپراتورهای صفحه‌ای است.
مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله دارای طراحی ساده، ویژگی‌های قوی و هزینه‌های خرید و نگهداری نسبتاً پایین هستند. آنها همچنین دارای سرعت انتقال حرارت بسیار بالایی هستند اگرچه به فضای بیشتری نسبت به مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای با ظرفیت تبادل حرارتی مشابه نیاز دارند.
روش کار این مبدل حرارتی به شکلی است که جریال سیال گرم وارد لوله‌ها شده و پس از عبور از آنها و در تماس با سیال سرد درون پوسته، گرمای خود را از دست داده و از سمت دیگر لوله‌ها خارج می‌شود. البته لازم به ذکر است که این چرخه قابل تبدیل و جایگزینی است و می‌توان جریان ورودی و خروجی سیال به آن را معکوس کرد.
اما چرا برای این نوع مبدل، نام شل اند تیوب یا پوسته و لوله را انتخاب کرده‌اند؟ این نوع از مبدل‌ها از دسته‌ای از لوله‌ها (تیوب) که درون یک پوسته (شل) سیلندری شکل جاسازی شده‌اند، تشکیل شده است و به همین دلیل از این نام برای این دسته از مبدل‌ها استفاده می‌کنند. یک سیال از داخل تیوب‌ها و سیال دیگر هم از اطراف تیوب‌ها (داخل پوسته) جریان پیدا کرده و بر اثر اختلاف دمای میان آن دو ، حرارت از یک سیال به سیال دیگر و از طریق دیواره تیوب‌ها منتقل می‌شود.
تغییرات زیادی می‌تواند در طراحی پوسته و لوله وجود داشته باشد. به‌طور معمول، انتهای هر لوله از طریق سوراخ‌هایی در صفحات لوله به پلنوم‌ها (که گاهی به آن جعبه آب گفته می‌شود) متصل می‌شوند. لوله‌ها ممکن است مستقیم یا خمیده به شکل U باشند که به آنها لوله U می‌گویند.
اواپراتور صفحه‌ای
اواپراتورهای صفحه‌ای از تعدادی صفحات فلزی نازک تشکیل شده‌اند که به صورت موازی در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. صفحات به طور یک در میان حاوی مبرد و آب هستند. دو ورودی و دو خروجی برای ورود و خروج سیالات در نظر گرفته شده است.
جریان سیالات در صفحات مجاور هم، تبادل حرارتی بسیار کارآمدی را بین مبرد و آب ایجاد می‌کند. این امر باعث می‌شود که اواپراتورهای صفحه‌ای در مقایسه با اواپراتورهای پوسته و لوله، در فضایی بسیار کوچکتر، انتقال حرارت بسیار بالاتری داشته باشند.
مزایای اواپراتور صفحه‌ای
- تعمیرات و تمیزکاری آسان: صفحات اواپراتور به راحتی جدا می‌شوند و می‌توان آنها را به طور جداگانه تمیز یا تعمیر کرد.
- قابلیت تعویض صفحات: در صورت خرابی یک صفحه، می‌توان آن را بدون نیاز به تعویض کل اواپراتور، تعویض کرد.
- انعطاف‌پذیری: اواپراتورهای صفحه‌ای در ظرفیت‌های مختلف و با آرایش‌های متنوع صفحات قابل تولید هستند.
- ابعاد کوچک: این نوع اواپراتورها فضای بسیار کمتری نسبت به اواپراتورهای پوسته و لوله اشغال می‌کنند.
- راندمان بالا: اواپراتورهای صفحه‌ای به دلیل تبادل حرارتی مؤثر، راندمان بالاتری دارند.
معایب اواپراتور صفحه‌ای
- تحمل فشار و دمای پایین‌تر: اواپراتورهای صفحه‌ای در مقایسه با اواپراتورهای پوسته و لوله، تحمل فشار و دمای پایین‌تری دارند.
- هزینه بیشتر: به دلیل ساختار پیچیده‌تر، قیمت اواپراتورهای صفحه‌ای معمولاً از اواپراتورهای پوسته و لوله بیشتر است.
در چیلر، آب از یک صفحه و مبرد از صفحه مجاور آن عبور می‌کند. آب گرمای خود را به مبرد می‌دهد و مبرد تبخیر می‌شود. آب خنک شده از چیلر خارج و به سمت فن کویل و هواساز برای خنک‌سازی محیط فرستاده می‌شود. مبرد تبخیر شده نیز به کمپرسور باز می‌گردد تا دوباره فشرده شود. اواپراتورهای صفحه‌ای به دلیل راندمان بالا، انتخابی ایده‌آل برای چیلرها هستند. راندمان بالا به معنی مصرف انرژی کمتر و سرمایش بیشتر است.
جمع‌بندی
اواپراتورها یکی از اعضای اصلی چرخه‌های تبریدی هستند که در تمام تجهیزات ساخته شده بر اساس این سیکل وجود دارند. اواپراتورها نوعی مبدل حرارتی هستند که کار آنها انتقال حرارت بین مبرد و سیال واسط دیگر مانند آب، روغن و .. است. با توجه به این‌که مبرد عمدتاً به صورت مایع وارد اواپراتور شده و در آن‌جا تبخیر می‌شود به این تجهیز اواپراتور (Evaporator) به معنی تبخیر کننده گفته می‌شود. به دلیل کاربرد وسیع و گوناگون، اواپراتورها در انواع و اشکال مختلف ساخته می‌شوند.
اواپراتورها را می‌توان از جنبه‌های مختلفی مانند ساختمان، روش تغذیه مایع مبرد، شرایط کار و … تقسیم‌بندی کرد. با توجه به هدف این مقاله در زمینه مقایسه اواپراتورهای مرسوم در چیلرها، تنها به دسته‌بندی اواپراتورها از نظر ساختمان آنها پرداخته می‌شود. اواپراتور از نظر ساختمان به سه دسته تقسیم می‌شوند: پوسته-لوله، صفحه‌ای و پره‌دار.
اواپراتورهای پوسته-لوله (Shell and Tube) و صفحه‌ای (Plate) با عنوان اواپراتور ساده هم شناخته می‌شوند چرا که تمام سطح آنها تا حدودی با مبرد تبخیر شونده در تماس می‌باشد در صورتی که در اواپراتور پره‌دار سطوح اولیه انتقال حرارت صرفا لوله‌ها هستند و پره‌ها به دلیل عدم تماس مستقیم با ماده مبرد، سطوح انتقال حرارت ثانویه هستند. در چیلرها عمدتاً اواپراتورهای پوسته-لوله و صفحه‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند که در این مقاله مقایسه شده‌اند.
