ایرکولر (Air Cooler)

ایرکولر (Air Cooler) وسیله‌ای برای دفع گرما از یک سیال به طور مستقیم به هوای محیط است. برخلاف مبدل‌ های حرارتی پوسته و لوله یا برج خنک کننده که نیاز به آب دارند در این سیستم جهت خنک کردن نیازی به آب وجود ندارد. یکی از مزیت های آشکار Air Cooler این است که به آب نیاز ندارد؛ یعنی این امکان وجود دارد که در مکان‌ های بدون آب و خشک، سیال مورد نظر را خنک کند. یک Air Cooled Heat Exchanger ممکن است به اندازه یک رادیاتور خودرو کوچک باشد یا به اندازه کافی بزرگ باشد که گرمای میعان بخار خروجی توربین را از یک نیروگاه 1200 مگاواتی دفع کند. جهت آشنایی بیشتر، قصد داریم تا در این مقاله از بادران تهویه صنعت به معرفی ایر کولر و انواع آنها بپردازیم.

کویل (Coil)

مجموعه‌ ای از لوله‌ ها و فین‌ های آلومینیومی و تکیه گاههای لوله است که همان طور که در شکل نشان داده شده، معمولاً سطح لوله‌ ای که در معرض عبور هوا قرار می‌ گیرد، دارای سطح گسترده‌ ای به شکل پره‌ هایی می‌باشد تا سرعت انتقال حرارت پایین را جبران نماید. لوله‌ ها معمولاً گرد بوده و جنس آنها از هر فلزی که برای این فرآیند مناسب باشد، ممکن است باشد. البته باید به محدودیت‌ های خوردگی و فشار و دما برای انتخاب لوله توجه شود.

پره‌ ها نیز از نوع سینوسی یا تخت می‌ باشند که معمولاً به دلیل رسانایی خوب و همچنین صرفه جویی در ساخت، غالباً آلومینیومی هستند. پره‌ های آهنی و فولادی دیگری نیز اغلب برای مواردی که دمای بسیار بالایی وجود دارد، استفاده می‌ شود.

روش‌ های اتصال پره‌ ها به لوله‌ ها در ایرکولر

پره‌های ایرکولر به روش‌های مختلفی به لوله‌ ها متصل می شود که عبارتند از:

1. توسط اکسترود که در آن لوله‌ ها اکسترود شده و پره‌ ها نیز محکم به لوله‌ ها متصل می‌ شوند که این حالت بهترین نوع اتصال بوده و تا دمای بالا قابل استفاده می‌ باشند
2. از طریق پیچیدن یک نوار آلومینیومی برش خورده در یک شیار مارپیچ به دور لوله
3. با پیچیدن روی یک نوار آلومینیومی پایه دار که پایه بر روی لوله پیچیده شده است

شکل زیر نمای بریده‌ ای از این لوله‌ های پره‌ دار را نشان می‌ دهد.

فین (Fin)

فین‌ ها معمولاً به دو صورت دارای پوشش یا بدون پوشش می‌ باشند. در صورتی که پوشش‌ دار باشند به دو دسته‌ ی Blue fin و Gold fin تقسیم بندی می‌ شوند. این پوشش‌ ها یا همان پره‌ ها از جنس آلومینیوم بوده که باعث محافظت در مقابل رطوبت و خوردگی می‌ گردد و از طرفی نیز بر روی راندمان دستگاه تاثیر نامطلوب نخواهد گذاشت.

انواع فین ایرکولر

فین‌ در ایرکولر به انواع مختلفی تقسیم بندی می‌ شود که عبارتست از

• فین صاف
• فین سینوسی
• فین با پره‌ های کوتاه
• فین با پره‌ های بلند
• و…

که این فین‌ ها بر بازده کویل و انتقال حرارت تاثیر می‌ گذارند.

لوله‌ ها در طول‌ های به اندازه 6 تا 60 فوت و در قطرهایی به اندازه 5/8 اینچ تا 6 اینچ تولید می‌ شوند که رایج‌ ترین اندازه آنها 1 اینچ است. پره‌ ها غالباً سینوسی شکل بوده و به تعداد 8 تا 12 پره در هر اینچ می‌ باشند. گام لوله‌ها نیز معمولاً 2 تا 2.5 برابر قطر لوله است.

کویل‌ ها معمولاً به صورت افقی چیده می‌ شوند که در این حالتف هوا از بخش زیرین وارد شده و به صورت عمودی تخلیه می‌ گردد. گاهی نیز کویل‌ ها به صورت عمودی قرار گرفته و هوا به صورت افقی از آنها عبور می‌ کند.

برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد مشخصات ایرکولر و استعلام قیمت با کارشناسان شرکت بادران تهویه صنعت تماس بگیرید

مزایا و معایب استفاده از کولر‌ هوایی (Air Cooler)

یک روش جهت خنک کردن مایعات استفاده از دو منبع مقرون به صرفه آب و هوا است. کولر هوایی Air Cooler بدلیل استفاده از هوا به عنوان سیال عامل خنک کننده دارای مزایا و معایبی نسبت به مبدل‌ هایی که از آب برای خنک کنندگی استفاده می‌ کنند، می‌ باشند.

مزایای استفاده از کولر‌ هوایی (Air Cooler)

• عدم نیاز به منبع آب
• کاهش هزینه بدلیل عدم استفاده از تجهیزات سیستم‌ های انتقال آب
• خورنده نبودن هوا نسبت به آب و کاهش تاثیرات مربوطه
• رسوب گذاری بسیار ناچیز هوا نسبت به آب
• خطر ایجاد آلودگی در منابع آبی در صورت نشتی سیال خنک شونده وجود ندارد
• عدم ایجاد آلودگی در محیط زیست، رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و دریاها
• دسترسی آسان و نامحدود به هوا
• نصب آسان و هزینه‌ های تعمیرات و نگهداری پایین
• دارای قابلیت طراحی برای انواع سیستم‌ ها

معایب استفاده از کولر‌ هوایی Air Cooler

• در محل نصب، جای زیادی را اشغال می‌ کنند
• دارای سر و صدای زیادی هستند
• بدلیل تغییر دمای هوا در شرایط جوی مختلف، نیاز به سیستم‌ های کنترلی بیشتری دارند
• هوای بیشتری نسبت به آب برای یک بار گرمایی مشخص نیاز می‌ باشد (حدود ۴ برابر در جرم و ۳۲۰۰ برابر در حجم)
• دانسیته کم هوا نسبت به آب (در دما و فشار اتمسفر دانسیته آب ۸۰۰ برابر بیشتر از هوا است)
• حرارت ویژه کم هوا نسبت به آب (حرارت ویژه Specific Heat آب ۴ برابر بیشتر از هوا است)
• هدایت گرمایی کم هوا نسبت به آب (هدایت گرمایی Thermal Conductivity آب در دمای ۳۵ درجه سانتیگراد، ۲۳ برابر بیشتر از هوا است)

مقایسه Induced and Forced Draft Units

معمولاً مبدل‌ های خنک کننده هوایی در دو حالت زیر مورد استفاده قرار می‌ گیرند:

1. Forced Draft
2. Induced Draft

در این مبدل‌ ها بخارهای گرم، درون مجموعه‌ ای از لوله‌ ها که به صورت افقی کنار هم قرار گرفته اند توزیع می شود. جداره خارجی لوله‌ ها به پره مجهز شده تا سطح انتقال حرارت بین سیال داخل لوله ها با هوای خنک افزایش یابد.

مزایای Induced Draft

1. توزیع بهتر هوا در سراسر کویل
2. امکان کمتر گردش هوای گرم
3. خروج هوای گرم به سمت بالا تقریبا 2.5 برابر سرعت ورودی است حدود FPM1500
4. کنترل و پایداری بهتر فرآیند مثل کاهش اثرات آفتاب، باران و تگرگ

معایب Induced Draft

1. کنترل دمای هوای خروجی جهت آسیب نرسیدن به پره های فن و الکتروموتور فن

مزایای Forced Draft

1. توان الکتروموتور کمتر مورد نیاز فن اگر هوای خروجی خیلی گرم تر باشد
2. دسترسی بهتر به فن ها و یاتاقان ها برای تعمیرات و نگهداری
3. می توان برای دما های بالاتر مورد استفاده قرار گیرد

معایب Forced Draft

1. توزیع یکنواخت کمتر هوا روی کویل
2. قرار گرفتن کامل لوله‌های پره دار در معرض آفتاب، باران، تگرگ
3. افزایش امکان گردش مجدد هوای گرم

طبقه بندی ایرکولر بر اساس نحوه ایجاد جریان هوا (دمشی و مکشی)

از نظر نوع ایجاد جریان هوا، کولر هوای خنک به دو دسته دمشی و مکشی تقسیم می شود. در هر دو روش ما به دنبال ایجاد جریان هوا به کمک فن هستیم. اگر فقط شرایط انتخاب پره (بلید) را در نظر بگیریم، وقتی فن وظیفه دمیدن هوا را بر عهده دارد و در موقعیت آن در زیر ایرکولر باشد، نیاز به هوادهی و فشار بیشتری خواهد بود. در عوض چون فن در معرض هوای گرم شده خروجی نیست، حرارت کمتری را جذب می کند و نیاز به تولید آن با متریال خاص نیست.

در مقابل حالت فن مکنده، نیازمند فن و پره‌ هایی است که در دماهای بالا مقاوم باشند، اما می‌ت واند مقدار فشار کمتری را برای آن در نظر گرفت و مصرف برق کمتری دارند.

محاسبه و طراحی ایر کولر

در طراحی ایرکولر نسبت به مبدل‌ های پوسته و لوله، پارامترهای بیشتری را باید در نظر گرفت؛ چون شرایط آب و هوایی دائماً در حال تغییر است. سرعت جریان هوا و دمای خروجی هوای خشک در ابتدا ناشناخته هستند که این عوامل می‌ توانند در طراحی متفاوت باشند که با تغییر تعداد ردیف‌ های لوله و در نتیجه تغییر سطح، امکان دست یابی به آنها میسر می‌ گردد.

Q = U × A × (T – t) _mean

_{T – t) mean} = ((T1-t2)-(T2-t1))/(ln⁡(((T1-t2)/(T2-t1))))₎

A=N_{umber of tubes} × π × Do × L_{ength of tube}

N_{umber of tubes} = A / ( π × Do × L_{ength of tube})

با استفاده از رابطه بالا، تعداد لوله مورد نظر برای سطح انتقال حرارت را می‌ توان به دست آورد. سرعت هوای عبوری از سطح روی کویل معمولاً طبق استانداردها برابر با 2.5 متر بر ثانیه یا 500 فوت بر دقیقه می‌ باشد که اگر سطح مورد نظر هم طبق روابط بالا محاسبه شود، آنگاه مقدار CFM فن نیز مشخص می‌ گردد. البته گاهی اوقات نیز بر عکس این حالت اتفاق می‌ افتد که ما CFM فن را داشته و قصد داریم تا سطح کویل را مشخص کنیم.

مثل تعیین سطح کویل در هواساز یا Air Handling Unit که ابتدا از روی تقسیم CFM بر روی 500FPM مقدار ft² کویل ما به دست می آید که حال کویل می‌تواند مربعی یا مستطیلی باشد و بر طبق میزان ظرفیت خود تعداد ردیف به دستگاه اضافه می شود.

در Air Cooler معمولاً با توجه به اینکه فن‌های Axial، خیلی فشار استاتیک تولید نمی‌کنند، نمی‌توانیم تعداد ردیف‌ها را بیشتر کنیم و معمولاً تا 4 ردیف در این گونه سیستم ها با 12FPI، تراکم فین خواهیم داشت. ایر کولر Air Cooler اغلب برای خنک کردن آب با هوا و پدهای سلولزی یا مبرد به صورت کندانسوری مورد استفاده قرار می‌ گیرند.

مصرف انرژی Air Cooler مربوط به مصرف فن‌های آنها می‌باشد که به هر تعداد که فن وجود داشته باشد، آنها نیز برق مصرف می‌کنند.

اگر بخواهیم دمای آبی که در صنعت، بالاتر از حداکثر دمای خشک محیط می‌باشد را با ACHE خنک کنیم، Air Coolr را می توان نوعی برج خنک کننده هم نامید. به عنوان مثال فرض کنید در نظر داریم تا در صنعت دمای آبی را از دمای 90 درجه سانتی گراد به دمای 60 درجه سانتی گراد با دبی 300 متر مکعب در ساعت در شهر تبریز برسانیم. در این صورت بهترین وسیله برای این کار، Air Cooled Heat Exchanger یا درای کولر است. زیرا دمای شهر تبریز در بیشترین حالت خود به حدود 36 درجه سانتی گراد می‌ رسد.

همچنین اختلاف حداقل دمای آبی که می‌خواهیم خنک کنیم با دمای حداکثر شهر تبریز برابر 24 درجه سانتی گراد می باشد، لذا هوای عبوری از روی کویل این توانایی را دارد که آب را از 90 درجه سانتی گراد به 60 درجه سانتی گراد برساند. در مثال ذکر شده می‌ توان مشاهده کرد که با استفاده از Air Cooled Heat Exchanger به جای استفاده از برج خنک کننده بدون مصرف آب، دمای سیال مورد نظر خودمان را کاهش داد.

شرکت بادران تهویه صنعت به عنوان بزرگترین تولید کننده انواع برج‌ های خنک کننده و فن های محوری در ایران جهت فن ایرکولر، فن برج خنک کننده و کولینگ تاور فعالیت داشته و از این رو سالیانه تعداد بسیار زیادی فن جهت استفاده در انواع ایرکولرهای صنایع نفت، گاز، پتروشیمی و فولاد و … تولید و عرضه می‌ نماید.

نویسنده: مهندس میرحسین آقاخواه

سوالات تکمیلی