دو اصطلاح سوپرهیت و سابکولینگ به نوعی دو فرآیند در سیکل های تراکمی تبرید هستند که جهت محافظت از قطعات اصلی سیستم و عملکرد بهتر این سیستم ها به کار برده می شوند. هر دو فرآیند در تجهیزات مختلفی که از جمله چیلرهای تراکمی، مینی چیلرها، مبدل‌های حرارتی، روف تاپ پکیج، کولرهای گازی، توربین‌های بخار و دیگ‌های بخار و… استفاده می شود. به طور کلی می توان بیان داشت که در سیستم هایی که از اواپراتور و کندانسور استفاده می شود می توان رد پای سوپرهیت و سابکولینگ را در آنها یافت.
در این مقاله قصد داریم شما را با مفاهیم سوپر هیت و سابکولینگ آشنا کنیم. همچنین در ادامه به نحوه اندازه گیری و اهمیت آن خواهیم پرداخت.
مفاهیم پایه
در ابتدا با چند مفهوم پایه برای درک بهتر عملکرد سیستم آشنا می شویم:
نقطه جوش: دمایی که در آن فشار بخار مایع با فشار محیط اطراف آن برابر می شود. در این دما جنبش مولکول های مایع به بیشترین مقدار ممکن تحت آن فشار می رسد.
دما و فشار اشباع: دمایی که با اضافه شدن مقدار بسیار کمی انرژی باعث جوشیدن مایع می گردد. در واقع دمای اشباع همان دمای جوش است و دمایی است که در آن مایع با شروع جوشش تغییر فاز داده و تبدیل به بخار می گردد. در هرفشاری، مبرد یک دمای اشباع مشخص دارد. برای مبرد های مختلف این دماها اندازه گیری شده است که در جداول ترودینامیکی این دماها مشخص شده اند.
دمای نقطه شبنم: دمایی است که هوا باید تا آن نقطه سرد شود تا با بخارآب اشباع گردد.
مبرد زئوتروپیک: هنگامی که یک مبرد با چند مبرد دیگر ترکیب شود و یک مبرد واحد تولید شود به آن مبرد زئو تروپیک گفته می شود. این نوع مبردها برای شرایط خاص که دیگر مبردها قادر به انجام عملکرد مناسب نیستند صورت می گیرد.
سوپر هیت
درک مفهوم سوپر هیت برای درک و عیب یابی بسیاری از مشکلات سیکل تبرید ضروری می باشد.
همان طور که می دانیم بیشتر عناصر می توانند در سه فاز مایع، گاز یا جامد وجود داشته باشند. از این سه فاز، تنها فاز گازی (که گاهی فاز گازی یا فاز بخار نامیده می شود) می تواند به دمای سوپر هیت یا فوق گرم برسد.
به عنوان مثال، آب در سطح دریا در دمای 212 درجه فارنهایت به جوش می رسد. تصور کنید یک قابلمه را بر روی شعله اجاق گاز گذاشته اید. آب تا زمانی که به دمای 212 درجه فارنهایت یا نقطه جوش خود برسد، گرم می شود. سپس آب موجود در قابلمه به بخار تغییر فاز می یابد و بخار می تواند فوق گرم شود. در واقع سوپر هیت هنگامی اتفاق می افتد که دمای بخار از نقطه جوش مایع بالاتر رود. در مثال قبل یعنی گاز به دمای 213 درجه فارنهایت برسد که گفته می شود بخار 1 درجه فارنهایت فوق گرم شده است.
همین عملکرد در اواپراتور سیکل تبرید هم اتفاق می افتد، به این صورت که مایع مبرد در اواپراتور با دریافت حرارت به دمای نقطه جوش می رسد تا تمام حجم آن تبخیر شود و با دمای بیشتر از اواپراتور خارج شود، یا به میزان مشخص سوپر هیت شود.
فرآیند سوپرهیت در سیکل تبرید نقش بسیار مهمی دارد زیرا که مبرد پس از تبخیر باید به فاز بخار تغییر یابد و سپس وارد کمپرسور شود، با ورود هر چند اندک مبرد مایع به داخل کمپرسور باعث خسارت و خرابی کندانسور می گردد. تجهیزاتی نظیر چیلر و روفتاپ پکیج که از کمپرسورهای گران قیمت استفاده می کنند، چنان چه سیستم دچار مشکل شود، خرابی کمپرسور هزینه های بسیاری را در برخواهد داشت.
محاسبه سوپر هیت
سوپرهیت به عنوان تفاوت بین دمای اشباع یک ماده و دمای واقعی گاز محاسبه می شود. وقتی صحبت از سیستم های تبرید به میان می آید، مبرد ها اغلب در دماهایی پایین تر نسبت به آب به جوش می آیند.
دمای سوپرهیت به صورت زیر محاسبه می شود:
دمای سوپر هیت = دمای فعلی – دمای نقطه جوش
به عنوان مثال، اگر مبرد مایع در 10- فارنهایت بجوشد و سپس تا 5- درجه فارنهایت حرارت داده شود، گفته می شود که مبرد 5 درجه فارنهایت فوق گرم یا سوپر هیت شده است. در ابتدا با توجه به این که دما ی مبرد همچنان منفی است برای تکنسین می تواند گیج کننده باشد، اما به یاد داشته باشید که سوپر هیت تفاوت بین دمای اشباع و دمای واقعی گاز می باشد. محاسبه سوپر هیت بسیار مهم است زیرا به تکنسین نشان می دهد که مایع تا چه اندازه در مسیر اواپراتور عبور می کند. سوپرهیت عملا به این مفهوم است که مایع کمتر و گاز بیشتری در کویل ها وجود دارد که می تواند منجر به کاهش ظرفیت سیستم و تولید گرمایش بیش از حد شود و برعکس سوپر هیت کمتر به معنای وجود مایع بیشتر و گاز کمتر در کویل است که می تواند موجب آسیب به کمپرسور شود.
برای محاسبه میزان دقیق سوپرهیت به یک تکنسین با تجربه نیاز است تا دما و فشار را به طور همزمان در یک مسیر بررسی کند.
تکنسین در ابتدا دمای خط مکش را در خروجی اواپراتور اندازه گیری می کند و سپس فشار مبرد را در خط مکش کویل داخلی اندازه گیری می نماید. برای انجام این کار ممکن است مجبور به استفاده از سه راهی شیر در اتصالات اکولایزر خروجی روی هدر مکش کویل، یا از طریق اتصالات لحیم کاری شده، شود. سپس فشار سنج ها را نصب نموده و سیستم را راه اندازی می کند.
پس از 15 دقیقه کار و پایدار شدن سیستم، فشار خروجی اواپراتور را ثبت می کند. فشار مشخص شده با فشار سنج، فشار نسبی را نمایش می دهد که باید با فشار اتمسفر جمع شود تا فشار مطلق به دست بیاید. سپس با توجه به نوع مبرد استفاده شده در سیستم و فشار اندازه گیری شده، دمای اشباع مبرد را از جداول ترمودینامیکی استخراج کند. در انتها دمای استخراج شده از جدول و دمای خروجی اواپراتور را از یکدیگر کم نموده تا دمای سوپر هیت به دست آید. (در هنگام اندازه گیری دقت نمایید که هیچ عامل بیرونی بر روی دما و فشار اندازه گیری شده تاثیر گذار نبوده باشد.) براساس نوع دستگاه اندازه گیری که سیستم استفاده می کند، سوپرهیت اواپراتور را با مشخصات سازنده مقایسه نمایید. به یاد داشته باشید که مقدار سوپرهیت براساس حجم مبرد برای ورود به دستگاه و دمای هوای برگشتی در زمان آزمایش است.
زمان محاسبه سوپر هیت
هنگامی که تکنسین در حال راه اندازی تجهیزات یا تجزیه و تحلیل مشکلات سیستم هستند باید میزان سوپرهیت اندازه گیری شود. قبل از شروع خواندن دما، سیستم باید به میزان 15 دقیقه کار کرده باشد تا به حالت پایدار برسد. سپس، خواندن سوپرهیت را می توان با توجه به استاندارد های تولید یا صنعت مقایسه نمود.
اشتباهات رایج در خواندن سوپر هیت
در ابتدای حرفه جدید یا تکنسین های تازه کار در هنگام خواندن دمای سوپر هیت و استفاده از آن با اشتباهاتی موجب آسیب به سیستم و عملکرد آن می شود. از جمله:
- استفاده از ابزار نا کافی و خواندن اعداد سوپرهیت به صورت اشتباه.
- خواندن و ثبت دمای سوپر هیت قبل از این که سیستم به پایداری برسد.
- نداشتن دمای سوپر هیت مناسب با عملکرد اواپراتور و کندانسور و ارسال مبرد مایع به داخل کمپرسور، که می تواند به کمپرسور صدمات جبران ناپذیری وارد کند.
- اندازه گیری فشار کمپرسور به جای اواپراتور، که می تواند یک دمای سوپرهیت کاذب بدهد و منجر به آسیب کمپرسور شود.
- عملکرد سریع که از استاندارد های سیستم پیروی نمی کند و موجب آسیب به سیستم می شود.
کاربردهای سوپرهیت
سوپر هیت کاربرد های خاصی دارد. از جمله در صنایع نفت و پتروشیمی بسیار پرکاربرد می باشد. بعنوان مثال در توربین بخار برای عبور از نازلها و هدایت بخار استفاده می شود. همچنین سبب افزایش بازدهی حرارتی در توربین بخار می گردد. در صنایع مختلف همانند کاغذسازی در سیلندرهای خشک کن با حجم بالا و سرعت کم مورد استفاده قرار می گیرند. علاوه بر اینها بخار سوپرهیت از داخل لوله های مبدل‌های حرارتی پوسته لوله و یا بین صفحات مبدل‌های حرارتی صفحه ای جریان می یابد.
سابکولینگ
یکی از مفاهیم مهم و کاربردی در سیکل تبرید مفهوم سابکولینگ می باشد که درک آن تکنسین را قادر به عیب یابی و حل مشکلات عملکردی سیستم می نماید. در حالی که تبخیر و گرما در اواپراتور رخ می دهد، میعان و سابکولینگ در کندانسور صورت می گیرد.
در قسمت قبل با مفهوم سوپرهیت آشنا شدیم و می دانیم که مبرد فوق گرم خروجی از کمپرسور وارد کندانسور می گردد و در کندانسور به حالت آدیاباتیک در فشار ثابت و دمای ثابت تغییر فاز می دهد و به مایع تبدیل می گردد. عمل سابکولینگ در بخش انتهایی کندانسور پس از این که تمام مبرد بخار شده به مایع تبدیل شد صورت می گیرد. اختلاف دمای مایع خروجی از کندانسور نسبت به دمای تقطیر را سابکولینگ می گویند.
محاسبه سابکولینگ
در چرخه تبرید عمل سابکولینگ فرآیندی مهم تلقی می شود که تضمین دهنده ورود مایع به دستگاه انبساط است.
دمای سابکولینگ به کمک رابطه زیر محاسبه می شود:
سابکولینگ = دمای نقطه جوش – دمای فعلی
تراکم هنگامی اتفاق می افتد که بخار حرارت خود را از دست می دهد و به مایع تبدیل می شود. خنک سازی زمانی اتفاق می افتد که بخار را کمتر از دمایی که در آن به مایع تبدیل شود خنک کنید.
به عنوان مثال مبردی در حالت گازی با دمای 140 درجه فارنهایت وارد کندانسور می شود. هنگامی که کندانسور مبرد را تا 120 درجه خنک می کند، دوباره به مایع تبدیل می شود. بنابراین، اگر کندانسور دمای مبرد را به 105 درجه کاهش دهد، 15 درجه سابکولینگ شده است.
افت فشار خط مایع باعث کاهش فشار مبرد شده و در صورت عدم ایجاد سابکولینگ امکان رسیدن به نقطه جوش نیز وجود خواهد داشت. در این حالت عملکرد شیر انبساط و در پی آن عملکرد سیستم دچار مشکل می گردد و با افزایش مقدار سابکولینگ، عملکرد شیر انبساط بهتر بوده و میزان مبرد مایع بیشتری وارد اواپراتور می شود که سبب افزایش راندمان سیستم می گردد.
با هر یک درجه افزایش دمای سابکولینگ، ضریب عملکرد سیستم بین 0.5 تا 2 درصد افزایش می یابد (به نوع و مقدار مبرد و شرایط عملکرد بستگی دارد.) برای محاسبه میزان دقیق سابکولینگ به یک تکنسین با تجربه نیاز است تا دما و فشار را به طور همزمان در یک مسیر بررسی و ثبت کند.
تکنسین برای اندازه گیری میزان سابکولینگ در ابتدا فشارسنج ها را متصل می نماید و فشار تخلیه را اندازه گیری می کند. فشار اندازه گیری شده را با فشار اتمسفر جمع نموده و فشار مطلق را به دست می آورد. دمای اشباع متناظر با فشار تخلیه هر مبرد در جداول ترمودینامیکی ذکر شده است. دمای متناظر با فشار تخلیه اندازه گیری شده را استخراج می کند. این دما همان دمای کندانس نامیده می شود. سپس دمای لوله خروجی از کندانسور را اندازه گیری نموده واختلاف دو دمای محاسبه شده مقدار سابکولینگ مایع خروجی از سیستم خواهد بود.
زمان محاسبه سابکولینگ
هنگامی که تکنسین در حال راه اندازی تجهیزات یا تجزیه و تحلیل مشکلات سیستم است، علاوه بر اندازه گیری سوپر هیت باید میزان سابکولینگ نیز اندازه گیری شود. قبل از شروع خواندن دما، سیستم باید به میزان 15 دقیقه کار کرده باشد تا به حالت پایدار برسد. سپس، خواندن سابکولینگ را می توان با توجه به استاندارد های تولید یا صنعت مقایسه نمود.
نکته کلیدی: برای محافظت از کمپرسور، عمل سوپرهیت رخ می دهد و برای محافظت از شیر انبساط، عمل سابکولینگ صورت می گیرد.
کاربردهای سابکولینگ
سابکولینگ مفهوم مهم و کاربردی در سیکل تبرید سیستم های تراکمی همانند چیلرها، مینی چیلر، کولرهای گازی می باشد.
عموما از سابکولینگ استفاده می شود تا مبرد به شکل کامل مایع شده و وارد شیر انبساط گردد. اگر گاز به شیر انبساط برسد، ممکن است واکنش های ناخواسته ای صورت پذیرد و سیستم از کار بیوفتد یا باعث افزایش مصرف انرژی و اتلاف جریان برق شود. یکی دیگر از کاربردهای مهم و رایج ساب کولینگ، استفاده غیر مستقیم از آن ها در فرآیند سوپرهیت است.
مبردهای زئوتروپیک
در برخی از تجهیزات از ترکیب چند مبرد استفاده می شود با ترکیب یک یا چند مبرد باهم یک مبرد واحد تولید می شود، که به آن ها مبردهای زئوتروپیک گفته می شود. عمل تبخیر و میعان در این مبردها در یک دمای ثابت صورت نمی گیرد. به همین سبب تولیدکنندگان این نوع مبردها، جداولی ارائه می دهند که با توجه به فشار دو دمای Dew و Bubble به ترتیب نقطه شبنم و دمای حباب هستند.
سوپرهیت برای مبرد زئوتروپیک
همانند روش محاسبه سوپرهیت برای مبرد های دیگر عمل می کنیم با این تفاوت که برای تعیین دمای اواپراتور از نقطه شبنم استفاده می شود. سپس دمای خروجی اواپرتور را اندازه گرفته و از دمای نقطه شبنم کم می کنیم تا دمای سوپرهیت به دست آید.
سابکولینگ برای مبرد زئو تروپیک
همانند روش محاسبه سابکولینگ برای دیگر مبردها عمل می نماییم با این تفاوت که باید نقطه حباب موجود در جداول ارائه شده توسط تولیدکننده مبرد استفاده نمود. سپس دمای لوله خروجی کندانسور را اندازه گرفته و از دمای حباب کم می کنیم تا دمای سابکولینگ به دست آید.
استفاده از داده های سوپرهیت و سابکولینگ در عیب یابی
سوپر هیت کم: مقدار مبرد زیادی در اواپراتور وجود دارد. احتمالا بیش از حد شارژ شده است.
سوپرهیت بالا: مایع مبرد خیلی کم وارد اواپراتور شده است. ممکن است مبرد کمی وارد اواپراتور شده باشد، اما معمولا به دلیل گرمای ناکافی به اواپراتور (فیلتر یا دمنده کثیف، مجرای کوچک و مسدود شده) یا استفاده از دستگاه اندازه گیری کثیف معیوب موجب این مقدار شده باشد.
سابکولینگ کم: مقدار مبرد بخار ورودی زیاد است. که احتمالا اواپراتور دچار مشکل شده و یا مبرد زیادی وارد آن شده است.
سابکولینگ بالا: بخار کمی وارد کندانسور شده است که ممکن است عمل سوپرهیت به درستی صورت نگرفته باشد و یا لوله‌ها و مسیر عبور بخار دچار مشکلاتی از قبیل گرفتگی مجرا یا نشت شده باشد.
پیشنهاد می شود صفحه کولینگ تاور را مطالعه فرمائید.
