نام انگلیسی: Air cooler Heat Exchangers

یکی از وسایلی که در اکثر واحدهای پالایشگاهی و پتروشیمیایی برای کاهش دمای سیالات مورد استفاده قرار می گیرند، خنک کننده های هوایی می باشند. در خنک کننده های هوایی هوا با دمای محیط به لوله های حاوی سیال گرم برخورد کرده و باعث کاهش دمای دیواره لوله می شود و به این ترتیب دمای سیال داخل لوله کاهش می یابد. طول استاندارد لوله های مورد استفاده در مبدل های خنک کننده هوایی، معمولاً 20، 30 و 40 فوت می باشد. یکی از مسائلی که در مورد مبدل های خنک کننده هوایی اهمیت دارد، نسبت مساحت فن به مساحت Bay می باشد. این نسبت را converge fan می گویند و در مقدار آن در مبدل های خنک کننده هوایی نباید از 4/0 کوچکتر باشد. معمولاً مبدل های خنک کننده هوایی در دو آرایش زیر مورد استفاده قرار می گیرند:

– Forced Draft
– Induced Draft

این مبدل ها برای کاهش دمای سیال داخل لوله ها، از هوای محیط استفاده می کنند. اجزای اصلی این مبدل ها شامل یک یا چند لوله که در معرض جریان هوای فن ها قرار دارند، تجهیزات فن و موتور آن، کنترل کننده سرعت چرخش فن و تجهیزات لازم برای هدایت جریان ها می باشد. در این مبدل ها جریان سیال گرم پس از عبور از یک نازل وارد لوله هایی می شود که در مجاورت فن قرار دارند. این لوله ها با توجه به پره هایی که روی دیواره بیرونی لوله قرار دارند، کار انتقال حرارت را سریع تر انجاممی دهند. در قسمت عبور سیال از مجاورت فن، هر مجموعه از لوله های حاوی سیال گرم را یک Bundle می نامند که خود شامل چندین لوله است. معمولاً چند Bundle به طور موازی با یکدیگر از روی فن عبور می کنند. به این مجموعه یک Bay می گویند. در بعضی موارد دو فن به صورت سری روی جریان های موازی Bundle های یک Bay عمل می کنند. این حالت شامل دو Bundle از لوله های حاوی سیال گرم است که از مجاورت دو فن سری شده عبور می کند. معولاً برای خنک کردن سیال گرم توسط مبدل هواخنک در صنعت از چند Bay که به صورت موازی قرار گرفته اند استفاده می شود. به مجموعه این Bay ها، Unit گفته می شود. قطر فن های مورد استفاده در مبدل های هواخنک در دامنه 3 تا 28 فو ت قرار دارد. با این حال معمولاً فن هایی با قطر 14 تا 16 فوت از بزرگ ترین فن های مورد استفاده در صنایع پتروشیمی به شمار می روند. شکل 2 دو Bay با 4 Bundle همانطوریکه گفته شد، هوا با دمای محیط به لوله های حاوی سیال گرم برخورد کرده و باعث کاهش دمای دیواره لوله می شود و به این ترتیب دمای سیال داخل لوله کاهش می یابد. برای افزایش میزان انتقال حرارت، از لوله های پره دار استفاده می شود. لوله های پره دار در مبدل های هواخنک به صورت های مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند. یکی از مهمترین انواع این پره ها، پره های (Extruded fin ) می باشد که معمولاً از جنس آلومینیوم ساخته می شوند. نحوه ساخت این پره ها به این صورت است که یک لایه از فلز مربوطه را بر روی لوله قرار می دهند و سپس این لایه را با اعمال فشار توسط دستگاه دیگری روی لوله نصب می کنند. قالب این دستگاه به صورتی عمل می کند که سطح خارجی لوله در نهایت به صورت پره های مارپیچ و یا شکل های دیگر در می آید و به این ترتیب سطح خارجی لوله افزایش یابد. از این پره ها معمولاً در دمای پایین تر از 200 درجه سانتیگراد استفاده می شود. شکل 3 یک Unit که شامل دو Bay و شش Bundle می باشد. نوع دیگر پره های مورد استفاده در مبدل های خنک کننده هوایی، پره های (Embedded fins) می باشند. این پره ها نیز معمولاً از جنس فولاد یا آلومینیوم ساخته می شوند. این پره ها به شکل میله های نازک با سطح مقطع دایره ای یا مربعی می باشند که در داخل دیواره لوله حاوی سیال گرم فرو رفته اند. در شکل 6، چهار مورد از انواع این پره ها به طور شماتیک نشان داده شده اند. با توجه به این شکل در می یابیم که این پره ها از تنوع زیادی برخوردارند. از این پره ها در مبدل هایی که در دماهای بالا و فرایندهای ناپیوسته کار می کنند استفاده می شود.

کارکرد و تنظیم دستگاه با تغییرات دمای هوا
خنک کننده های هوایی برای هوای گرم در تابستان طراحی شده اند و تغییرات دما در نتیجه تغییرات فصلی می تواند باعث تغییر در خنک کنندگی آنها شودکه ممکن است مطلوب نباشد. یک راه این است که میزان جریان هوا را کم کنیم تا میزان انتقال حرارت سیال داخل لوله کمتر شود. برای اینکار از موتورهای چندسرعته استفاده می شود. اغلب موتورها در دو سرعت متفاوت می توانند کار کنند. دومین راه کنترل، قرار دادن Louvers (کر کره هایی) به عنوان پوشش یا سقف بر روی قسمت لوله ها و دیگری استفاده از فن های با Pitch متغیر است (پره های فن قابلیت تغییر شیب دارند)
Louver قابلیت کنترل زیادی دارد. این کنترل می تواند به صورت دستی یا اتوماتیک توسط موتورهای الکتریکی یا سیستم های هوایی باشد که از کنترلرهای دما و فشار سیستم فرمان می گیرند. Louver ها معمولاً برای فن های با سرعت ثابت استفاده می شود. در فن های با شیب متغیر، شیب پره های فن برای تامین جریان هوای مورد نیاز با توجه به دما و فشار سیستم تغییر می کند. زاویه پره وقتی دما افت پیدا می کند کاهش می یابد و این باعث می شود فن پایین تر بیاید. موتورهای هیدرولیکی نیز می توانند سرعت فن را کاهش دهند. وقتی جریان هوای کمی مورد نیاز است، توان مصرفی فن نیز کاهش می یابد. یک راه حل دیگر برای کنترل انتقال حرارت در سیستم، کنترل جریان سیال در دو جهت است. در این مورد به جای اینکه جریان هوا (به عنوان خنک کننده سیال داخل لوله ها) کنترل شود جریان سیال گرم داخل لوله ها کنترل می شود. سیستم های دو جریانی به این صورت است که یک نازل ورودی در ته قسمت هدر وجود دارد. این نازل جریان طبیعی سیال را عکس می کند. در بعضی سیالات با ویسکوزیته زیاد گاهی اوقات این تنها راه جلوگیری از انجماد سیال است. آخرین تغییری که می توان در دمای هوا به وجود آورد مخصوصاً در آب و هوای سرد، استفاده از گردش جریان هوای گرم است. از این راه هم به خاطر کنترل دمای سیستم و هم به خاطر جلوگیری از انجماد سیال استفاده می شود. گردش هوای گرم در سیستم های با فن متغیر و Louver اتوماتیک استفاده می شود. جریان هوای گرم به دو نوع گردش خارجی و گردش داخلی تقسیم بندی می شود. گردش داخلی (Internal recirculation) به این صورت است که یک فن سرعت ثابت و یک فن سرعت متغیر با هم به کار می روند. در این حالت فن سرعت ثابت هوای نیمه پایین اتاقک را به جریان می اندازد و فن سرعت متغیر که با مد عکس کار می کند (یعنی هوا را از بالا می مکد و به طرف پایین اتاقک می دمد)، هوای گرم بالای اتاقک که توسط فن اول به بالا رانده شده را با هوای سرد ورودی از بیرون، به طرف پایین اتاقک می دمد. Louver بالای اتاقک به طور اتوماتیک توسط سنسورهای دمای سیستم کنترل می شوند. اگر دمای سیستم، افزایش Louver، ها (کرکره ها) باز می شوند. در حالت نرمال Louver کاملاً باز است و هر دو فن در حالت استاندارد سرعت هستند. خنک کننده های با گردش درونی یک حالت بین بدون گردش هوا و حالت کاملاً کنترل شده توسط گردش خارجی است. البته این روش از گردش خارجی ارزانتر است و افت فشار کمتری دارد. با این حال در این روش به طور کامل نمی توان از یخ زدگی سیال جلوگیری کرد. زیرا هیچ کنترلی روی دمای هوای خروجی نیست. در حالت گردش خارجی از دو فن با سرعتهای متغیر و در حالت نرمال روی سرعت کم با قابلیت تغییرشیب استفاده می شود. در این طرح Louver به صورت دستی باز و بسته می شود. بالاترین Louver توسط دمای، سیال کنترل می شود. وقتی دمای هوای درونی به دمای سیال نزدیک شود، louver خارجی باز می شود. این تطابق ها توسط کنترلری که روی فن قرار دارد و دمای هوا را سنس می کند انجام می شود.گردش خارجی برای کنترل دقیق دمای سیال و جلوگیری از انجماد آن کاربرد فراوان دارد. یکی از مزایای مبدلهای خنک کننده هوایی کاربرد این مبدلها در نقاط کم آب است. در نقاط کم آب، مبدلهای معمولی و برجهای خنک کننده به دلیل احتیاج زیاد به آب، نمی توانند مورد مصرف قرار بگیرند. لذا یکی از بهترین روشها برای خنک کردن سیالات بدون استفاده از آب،استفاده از مبدلهای خنک کننده هوایی می باشد. مشکلات مبدل های خنک کننده هوایی سیستم های گردش هوای گرم می توانند در هر موقعی از سال مشکل ساز باشند. این سیستم ها در تابستان به شدت از توانشان کاسته می شود. مهمترین علتهای آن را می توان به صورت زیر بیان نمود: وقتی خنک کننده های هوایی نزدیک ساختمان بلند و در مسیر پایین باد قرار گیرند، هوای گرم خروجی از خنک کننده ها توسط جریان باد حمل می شود و پس از برخورد با مانع مقداری از هوای گرم دوباره به داخل سیستم برگشت داده می شود. قرار دادن خنک کننده های هوایی دور از چنین موانعی بهترین راه حل است. خنک کننده های هوایی از نوع forced همیشه مستعد برگشت هوای گرم هستند. مخصوصاً اگر چنین خنک کننده هایی در جایی نزدیک زمین قرار بگیرند به علت اینکه اختلاف بین سرعت جریانهای هوا کم می شود برگشت هوا تبدیل به مشکل اساسی می شود. در نتیجه چنین سیستمهایی باید در ارتفاع نصب شوند. گاهی اوقات سیستم خنک کننده هوایی خشک به صورت سری با خنک کننده مرطوب به صورت سری به کار برده می شود. البته اگر نیاز به تغییر دمای زیادی در سیستم وجود داشته باشد، در این فرایند ها سیال ابتدا وارد بخش لوله های پره دار خشک و سپس وارد قسمت لوله های مرطوب می شود. بعد از اینکه رطوبت اضافی هوا توسط مه گیرهایی گرفته شد، بر روی لوله های خشک وزیده می شود. در سیستم خنک کننده های مرطوب آب به داخل هوای خنک کننده اسپری می شود و سپس هوای مرطوب به روی لوله ها دمیده می شود. البته باید جنس لوله ها از نوعی باشد که بر اثر رطوبت خراب نشود. شکل6 – در این شکل یک مبدل خنک کننده هوایی و یک برج خنک کننده به طور مشتر ک و موازی کار سرد کردن سیال گرم ورودی را انجام می دهند. ابعاد مبدل خنک کننده هوایی طول استاندارد لوله های مورد استفاده در مبدل های خنک کننده هوایی، معمولاً 20، 30 و 40 فوت می باشد. عرض هر Bay نیز از 2/1 تا 1/9 متر تغییر می کند. معمولاً استفاده از لوله های بلندتر باعث کاهش هزینه ساخت مبدل خنک کننده هوایی می شود. قطر لوله های مورد استفاده در مبدل خنک کننده هوایی در دامنه 16 تا 38 میلی متر می باشد. ارتفاع پره لوله ها نیز در دامنه 7/12 تا 4/25 میلیمتر قرار دارد. تعداد این پره ها در هر یک اینچ از طول لوله FPI (Fin Per Inch)، از 8 تا 11 پره تغییر می کند. استفاده از پره ها به طور موثری باعث افزایش سطح خارجی لوله می شود به طوریکه مساحت خارجی یک لوله پره دار شده می تواند 12 تا 25 برابر مساحت خارجی لوله بدون پره باشد. نحوه قرار گرفتن لوله ها معمولاً به صورت مثلثی شکل می باشد و فاصله ای در حدو د 6/1 تا 4/6 میلی متر بین پره های لوله های مجاور در نظر گرفته می شود. در مبدل های خنک کننده هوایی افزایش تعداد لوله ها باعث افزایش سطح خارجی لوله ها و باعث افزایش سرعت سیال در لوله ها به واسطه کاهش قطر لوله ها می شود که این موارد باعث افزایش میزان انتقال حرارت می گردد. از طرف دیگر افزایش تعداد لوله ها باعث افزایش افت فشار در لوله ها، افزایش هزینه ساخت مبدل و افزایش مقدار توان مصرفی مورد نیاز برای فن می گردد. با این توضیحات واضح است که در طراحی مبدل خنک کننده هوایی با در نظر گرفتن این اثرات باید تعداد بهینه لوله ها تعیین گردد. با توجه به لزوم منطقی بودن نسبت طول به عرض در مبدل های خنک کننده هوایی معمولاً 3 تا 8 ردیف لوله های فین دار، برای هر فن مورد استفاده قرار می گیرند. لازم به ذکر است که استفاده از چهار ردیف لوله از سایر موارد متداولتر است. در این قسمت از مبدل ها با توجه به وضعیت صفحه Pass Partition، چگونگی حرکت سیال در لوله ها تعیین می شود. پره های آلومینیومی معمولاً برای لوله ها استفاده می شود تا سطح بیشتری را در برابر هوا ایجاد کند و ضریب انتقال گرمای نسبتاً پایین هوا را جبران کند. فین ها انواع مختلفی دارند که متداولترین آنها Extrude fin است که از این فین ها به خاطر اقتصادی بودنشان بیشتر استفاده می شود. قطر پایه ای لوله ها حدود تا 8/5 اینچ می باشد ارتفاع فین ها حدود 1 – in است. معمولاً هدر از جنس کربن استیل و فین ها از جنس آلومینیوم ساخته می شوند. آلیاژ برنج و استیل نیز دارای خواص مشابهی هستند ولی هردو گرانتر از کربن استیل می باشند. اقتصادی ترین و متداولترین نوع قرار گرفتن فن ها به صورت افقی هستند. البته برای سیالاتی که قابلیت انجماد دارند. لوله باید حداقل شیب 1/8 اینچ داشته باشد. در اغلب موارد مشکل انجماد به و جود نمی آید به خاطر همین و به خاطر هزینه بر بودن این روش معمولاً لوله ها به صورت افقی قرار داده می شوند. سیستم های عمودی و زاویه دار برای مواقعی که ماکزیمم راندمان مورد نیاز است (به طور مثال در سیستم های مایع سازی) بکار برده می شوند. اغلب سیستم های زاویه دار، زاویه ای در حدود 30 درجه با افق می سازند.

مبدل خنک کننده هوایی مکنده
نام انگلیسی: Induced Draft Air Cooler

در این آرایش لوله ها در قسمت مکنده فن قرار دارند یعنی فن بالای مجموعه لوله ها قرار می گیرد. نوع induced دارای مزایا و معایبی است. در این نوع، هوا در قسمتهای مختلف اطراف لوله ها به نحو مناسبی توزیع می شود و امکان برگشت هوای گرم به قسمت هواگیری فن کمتر است. تاثیر خورشید و باران و تگرگ بر روی لوله ها نیزکمتر است زیرا 60% سطح پوشیده است و تاثیر جریان طبیعی در سیستم بیشتر است. معایب این سیستم نیز به شرح زیر است: توان مصرفی بیشتری مورد نیاز است زیرا فن در معرض هوای گرم عبوری از لوله ها قرار دارد. دمای هوای گرم خروجی از قسمت تیوبها باید تا حدود f200 محدود شود. زیرا امکان خراب شدن پره ها و یاتاقان و تسمه و دیگر قطعات فن در جریان هوای گرم وجود دارد. عیب دیگر این است که قطعات فن برای تعمیر، کمتر در دسترس هستند.

مبدل خنک کننده هوایی دمنده
نام انگلیسی: Forced Draft Air Cooler

در این آرایش لوله ها در قسمت دمنده فن قرار دارند یعنی فن زیر مجموعه لوله ها قرار می گیرند. در نوع Forced لوله ها در قسمت بالایی فن قرار می گیرند. به این ترتیب در اثر گرم شدن هوای ورودی، در بالای لوله ها مکش طبیعی هوا به سمت بالا صورت می گیرد. لذا توان مصرفی فن کمتر خواهد شد. از طرف دیگر در این نوع از مبدل ها قطعات فن برای تعمیر، به راحتی در دسترس هستند. در ضمن این نوع مبدل ها دارای سازگاری بیشتری در مناطق سردسیر می باشند. اما این سیستم برخلاف مزایای ذکر شده دارای معایبی هم هست از آن جمله می توان به عدم توزیع مناسب هوا در بین لوله ها و امکان برگشت هوای گرم به خاطر سرعت کم هوای خروجی از قسمت لوله ها اشاره کرد. در ضمن به خاطر اینکه لوله ها د ر معرض نور خورشید، باران و تگرگ قرار دارند میزان استهلاک بالا می رود.

یکی از  انواع مبدل های حرارتی که برای خنک کردن سیالات از آن استفاده می‌شود. کولر هوایی یا ایر کولر صنعتی نام دارد. ایر کولر (Air Cooler) که معادل فارسی آن کولر هوایی می‌باشد، نوعی مبدل حرارتی است که توسط آن می‌توان حرارت اضافی یک سیال را به هوا منتقل کرد تا دمای آن به میزان لازم کاهش یابد. از ایر کولر صنعتی در صنایع مختلفی از جمله نفت، گاز، پتروشیمی و … استفاده می‌شود.

سیال با دمای بالا به عنوان مثال روغن داغ، وارد ایر کولر شده و به کمک جریان هوا، گرمای خود را از دست داده و دمای آن تا نقطه مطلوب کاهش می‌یابد.

اجزای تشکیل دهنده ایر کولر شامل موارد زیر است:

• فن و سیستم دمنده
• پلنیوم Plenum، محفظه‌ای که هدایت، توزیع و کاهش نوسانات جریان هوا را بر عهده دارد
• لوله‌های سیال Tube Bundle، که شامل لوله‌، فین، ساختار نگهدارنده آن و همچنین خطوط ورودی و خروجی می‌باشد
• بدنه دستگاه

فن ایر کولر صنعتی

فن وظیفه ایجاد جریان هوا را بر عهده دارد که در حقیقت هوا سیال خنک کننده در کولر هوایی است. ابعاد فن‌های مورد استفاده در ایرکولرهای صنعتی در بازه ۱ تا ۸ متری قرار می‌گیرند و معمولاً دارای ۴ الی ۱۰ تیغه هستند. برای حداکثر شدن کارایی ایر کولر، فن باید به گونه‌ای باشد که تمام سطح تیوب باندل را پوشش دهد و البته زاویه تیغه‌ها نیز در عملرد آن بسیار تاثیرگذار است، به همین جهت برخی از فن‌ها دارای تیغه‌های قابل تنظیم هستند.

پلنیوم ایر کولر صنعتی

محفظه‌ای با دیواره‌های شیاردار که وظیفه آن پخش یکنواخت جریان هوا بر روی تیوب باندل است، پلنیوم نام دارد. پلنیوم باعث می‌شود جریان هوا به تمامی سطح تیوب باندل به شکل یکنواخت برسد تا به این ترتیب از تمام سطح آن به طور بهینه استفاده شود.

تیوب باندل ایر کولر صنعتی

تیوب باندل قسمتی است که عمل تبادل حرارت بین سیال خنک شونده و هوا که خنک کننده می‌باشد را برقرار می‌کند. تیوب باندل دارای هدر است، که سیال توسط نازل، از طریق آن به لوله‌ها می‌رسد. لوله‌ها باید از جنسی باشند که علاوه بر قابلیت هدایت حرارتی بالا، مقاومت مناسبی نیز در مقابل دما داشته باشد. لوله‌ها برای آنکه نرخ انتقال حرارتشان افزایش یابد دارای پره‌های فین هستند. جنس فین معمولاً آلومینومی است.

زاویه قرار گیری تیوب باندل عموماً به صورت افقی نسبت به زمین است، اما در برخی مدل‌های خاص به صورت زاویه‌دار نیز نصب می‌گردند.

فین‌های مورد استفاده در تیوب باندل ایر کولر صنعتی می‌تواند  انواع مختلفی داشته باشد که در قسمت کویل به آن اشاره شده است.

انواع ایر کولر صنعتی

کولر های هوایی بر حسب نوع جریان هوا به دو دسته تقسیم می‌شوند:

• ایر کولر دمشی
• ایر کولر مکشی

۱) ایر کولر دمشی

ایر کولر دمشی یا Force Draft Air Cooler که به کولر جریان اجباری نیز شناخته می‌شود، نوعی از ایر کولر صنعتی است که فن آن در پایین لوله‌ها قرار گرفته و باعث ایجاد جریان هوا بر روی لوله‌ها می‌شود.

از مزایای ایر کولر دمشی:

• مصرف انرژی کمتر
• تعمیرات آسان‌تر
• قابلیت استفاده در دماهای بالا

اما در مقابل، بزرگترین عیب این نوع ایر کولر احتمال برگشت هوای گرم زیاد است و توزیع هوا یکنواخت نیست.

۲) ایر کولر مکشی

در این ایر کولر که به آن Induced Draft Air Cooler یا کولر هوایی القایی نیز می‌گویند، فن در قسمت بالایی لوله‌ها قرار می‌گیرد و هوا را به سمت بالا می‌کشد. این نوع ایر کولر توزیع هوایی یکنواخت‌تری دارد.

از مزایای ایر کولر مکشی:

• مقاومت بالا در برابر عوامل جوی
• توزیع بهتر هوا بر روی باندل تیوب
• احتمال کم برگشت جریان هوای گرم

و از معایب آن، مصرف بیشتر انرژی و محدودیت دمایی آن است.

مزایا و معایب ایر کولر:

همان طور که اشاره شد ایر کولر یا کولر هوایی یکی از تجهیزاتی است که برای خنک کردن سیالات مورد استفاده قرار می‌گیرد که البته مانند دیگر تجهیزات دارای مزایا و معایب مختلفی است.

مزایای ایر کولر صنعتی :

• عدم مصرف آب
• هزینه کم
• عدم وجود خوردگی
• رسوب گذاری ناچیز
• نصب آسان
• دارای مدل‌های مختلف متناسب با نیاز

معایب ایر کولر صنعتی :

• ابعاد بزرگ و اشغال فضا
• آلودگی صوتی نسبتاً زیاد
• حساسیت نسبت به تغییرات جوی
• راندمان کمتر نسب به سیستم‌های آبی