انتخاب پمپ برای چیلر

گردش درست آب سرد در سیستم های سرمایشیِ آبی، یکی از ارکان مهم در بهره برداری حداکثری از ظرفیت تولیدی چیلر و انتقال حداکثریِ انرژی در یونیت های انتقال حرارت مانند فن کویل، هواساز و مبدل های صنعتی دارد. به همین دلیل، در این مقاله، سعی شده است تا به چگونگی انتخاب پمپ سیرکولاسیون آب سرد برای نصب و راه اندازی چیلر پرداخته شود. این راهنما، سیستم کلی آب سرد، محاسبات مربوط به انتخاب پمپ و همچنین نحوه قرارگیری پمپ را در سیستم سرمایش آبی بررسی می کند.

سیستم سرمایش آبی

پمپ آب سرد بخشی از یک سیستم سرمایش آبی است که اغلب شامل چیلر، لوله‌کشی، شیرآلات، اتصالات، مخزن انبساط، هواسازها و یونیت های فن کویل است. پمپ آب سرد برای گردش آب سرد در یک سیستم بسته استفاده می شود. پمپ، آب سرد شده را از هواسازها و یونیت های فن کویل به چیلر برمی گرداند. سپس چیلر آب را تا دمای مورد نظر (7 درجۀ سانتی گراد) خنک کرده و در ادامه آب سرد شده به هواسازها و یونیت های فن کویل باز می گردد.

پمپ آب سرد باید اندازه مناسبی داشته باشد تا مقدار مناسب جریان را با فشار صحیح به گردش درآورد تا سرمایش به میزان مناسب در ساختمان حاصل شود. اگر جریان و فشار کافی وجود نداشته باشد، سرمایش کافی نخواهد بود و ممکن است ساختمان در دوره‌هایی که بار سرمایشی زیاد است بسیار گرم شود. اگر فشار و جریان بیش از حد وجود داشته باشد، سیستم الکتریکی بی مورد بارگیری می کند و در صورت عدم کنترل سرعت، ممکن است برق به دلیل پمپاژ اضافی هدر رود.

پیشنهاد مطالعه: شناخت انواع سیستم های سرمایش آبی

معرفی و کاربرد انواع چیلر تراکمی

نحوه عملکرد و کاربرد انواع چیلر جذبی

شناخت و معرفی انواع چیلر هوا خنک

بررسی فنی و کاربرد انواع چیلر آب خنک

محاسبات انتخاب پمپ چیلر

به منظور انتخاب درست پمپ آب سرد، باید درک درستی از ورودی ها و چگونگی تاثیر تغییراتِ ورودی ها بر خروجی داشته باشیم. واقعیت آن است که بهترین کمپانی های تولیدکنندۀ پمپ در دنیا مانند wilo برای انتخاب پمپ نرم افزار مخصوصی ارائه داده اند تا بتوان با در نظر گرفتن تمامی متغیرها، به درست ترین انتخاب دست یافت؛ چراکه پارامترهایی نظیر نوع سیال، دما، چگالی و ویسکوزیته سینماتیکی/ دینامیکی جریان مورد نظر، در کارکرد پمپ تأثیر مستقیم دارند. اما، در این مقاله با این پیش فرض که سیال حامل انرژی آب است و در محدودۀ دمایی استاندارد (متناسب با کاربری تهویه مطبوع) لحاظ می شود، نحوۀ محاسبات دستی و انتخاب پمپ سیرکولاسیون برای چیلر را بررسی خواهیم کرد.

بایستی توجه داشت که حتی جزئیات لوله کشی و شیرها و اتصالات به کار گرفته شده در سیستم آب سرد، می توانند در انتخاب پمپ سیرکولاسیون موثر باشند.

همانطور که گفته شد، انتخاب پمپ بر اساس فاکتورهای مختلفی صورت می گیرد. اما، دو فاکتور اصلی برای سایزینگ پمپ، دبی و هد مورد نیاز است که بایستی توسط پمپ تأمین شود.

دبی پمپ

تشخیص دبی آب لازم جهت گردش در چیلر، تنها در صلاحیت سازندۀ چیلر است. چراکه عملکرد اواپراتور و اساساً کارکرد چیلر، کاملاً متأثر از دبی آبِ در گردش است.

در واقع، سازندۀ چیلر بهینه ترین مقدار را برای گردش آب در اواپراتور دستگاه خود اعلام می کند. اما، واقعیت آن است که میزان گردش آب سرد در سیستم سرمایش آبی، متأثر از تعداد و ظرفیت هواسازها و یونیت های فن کویل است. در چنین شرایطی، بایستی توجه داشت که دبی لحاظ شده برای انتخاب پمپ، در محدودۀ مورد قبول سازندۀ چیلر باشد؛ چراکه گردش آب زیاد و یا کم، هر دو برای چیلر مضر می باشند.

در پروژه هایی که بین مجموع دبی آب سرد مصرف کننده ها (هواساز، فن کویل و یا هر مبدل حرارتی دیگری) با دبی مجاز چیلر، اختلاف زیادی وجود دارد، از راهکار Primary-Secondary در لوله کشی سیستم آب سرد استفاده می گردد.

تأثیر گردش آب بیش از حد مجاز

گردش آب زیاد در اواپراتور، باعث افزایش سرعت جریان آب می شود. در نتیجه، عملاً جریان آب، زمان کافی برای تبادل انرژی با جریان مبرد را پیدا نکرده و به اندازۀ مورد نیاز، کاهش دما پیدا نمی کند. ضمن آنکه، میزان افت فشار جریان آب بیشتر از مقدار پیش بینی شده خواهد شد.

علاوه بر این باید توجه داشت، افزایش سرعت جریان آب از حد مشخصی به بعد، باعث فرسایش جدارۀ لوله های مسی شده و می تواند استحکام مکانیکی اواپراتور را تضعیف کند. بنابراین، گردش دبی زیاد، ممکن است صدماتی جدی به اواپراتور وارد کند.

نکتۀ دیگری که کمتر به آن توجه می شود این است که عدم تبادل انرژی کافی بین آب و مبرد، همانطور که منجر می گردد آب به اندازۀ کافی خنک نشود، می تواند منجر به عدم تبخیر کامل جریان مبرد در داخل اواپراتور نیز شده که این موضوع تهدیدی جدی برای کمپرسور می باشد و قادر است کمپرسور را عملاً از کار بیندازد.

تأثیر گردش آب کمتر از حد مجاز

وقتی جریان آب عبوری از اواپراتور از حد نرمال کمتر شود، سرعت جریان آب داخل اواپراتور کاهش می یابد. این موضوع به منزلۀ کاهش عدد رینولدز و در نتیجه کاهش ضریب انتقال حرارت می باشد و بر خلاف باور عموم، بواسطۀ کاهش نرخ انتقال حرارت، کم شدن دبی آب، باعث خنک تر شدنِ آن نمی شود. در چنین شرایطی، گرمای کافی جهت انتقال به جریان مبرد وجود نداشته و ممکن است مقداری مایع مبرد به سمت کمپرسور مکیده شده و آسیبی جدی به کمپرسور وارد کند.

چگونه با توجه به ظرفیت برودتی چیلر، دبی پمپ را تشخیص دهیم؟

پیش از آنکه به جواب این سوال بپردازیم، ابتدا بهتر است به مفهوم تن تبرید آشنا شویم. در ایالات متحده و بسیاری از کشورهای دیگر، جهت تعریف ظرفیت برودتی چیلر، از تن تبرید بعنوان یکی از واحدهای اندازه گیری توان (Power) استفاده می شود. البته در سایر کشورها، اغلب ظرفیت برودتی بر حسب kW یا Btu/h اعلام می گردد.

هر تن تبرید (TR) میزان نرخ انتقال حرارتی است که یک تن یخ با دمای صفر درجه سانتی گراد (32 ) در طول مدت 24 ساعت جذب می کند تا تماماً به آب صفر درجه سانتی گراد (32 ) تبدیل شود. به عبارت دیگر، یک تن تبرید مقدار انتقال حرارت (برودت) لازم برای تولید یک تن یخ در طول یک شبانه روز می باشد.

تن یکی از یکاهای اندازه گیری جرم مواد و اجسام می باشد و این در حالی است که در سیستم های مختلف اندازه گیری، تن تعاریف متفاوتی دارد. چنانکه در سیستم متریک، هر تن معادل 1000 kg بوده، اما در تعاریف دیگر، یک تن بزرگ (انگلیسی) برابر 1016 کیلوگرم (2240 lb) و یک تن کوچک (آمریکایی) برابر 907 کیلوگرم (2000 lb) می باشد. در تعریف تن تبرید، منظور از یک تن یخ، یک تن کوچک (Short ton) یعنی 907 کیلوگرم است، برخلاف تصور بسیاری که آن را معادل 1000 کیلوگرم در نظر می گیرند.

بنابراین، با توجه به رابطه زیر، یک تن تبرید بطور تقریبی برابر است با 3.5KW یا 12000BTU/h

محاسبۀ دبی پمپ با توجه به ظرفیت برودتی چیلر، به کمک رابطۀ زیر انجام می شود:

به طوریکه:

مثال: در یک چیلر با ظرفیت برودتی 100 تن تبرید که دمای آب ورودی و خروجی آن به ترتیب 12 و 7 درجۀ سانتی گراد است، دبی آب معادل جهت گردش در اواپراتور برابر است با:

در مواقعی که دبی آب در گردش زیاد باشد، معمولاً بیش از یک پمپ برای تأمین گردش آب استفاده می شود. ضمن آنکه استفاده از چند پمپ به صورت موازی، قابلیت تغییر دبی آب سرد کل سیستم را فراهم کرده که منجر به بهره وری بهتر و کاهش مصرف انرژی نیز می شود.

هنگام به کارگیری چند پمپ به صورت موازی، می بایست توجه داشت که دبی آب پمپاژ شده توسط دو پمپ موازی، معادل دو برابرِ دبی هر پمپ نمی ­باشد. چراکه پمپ ها بر کارکرد یکدیگر تأثیر گذاشته و عملاً دبی مجموع، کمتر از دو برابرِ دبی هر پمپ است.

همانطور که در شکل بالا دیده می شود، بعد از موازی شدن دو پمپ یکسان، عملاً کار پمپاژ از نقطۀ یک به نقطۀ سه حرکت می کند. جایی که دبی کمتر از دو برابر افزایش یافته و بر خلاف تصور، هد پمپ نیز بیشتر شده است.

* معمولاً توصیه می شود (خصوصاً در پروژه های فرایندی) از پمپ رزرو در کنار پمپ یا پمپ های اصلی استفاده شود.

هد پمپ

در تعریف هد پمپ، ابتدا می بایست توجه داشت که چه نوع پمپی مورد نظر است. پمپ آبرسانی یا پمپ سیرکولاسیون. در پمپ آبرسانی (مشابه پمپ هایی که در ساختمان ها استفاده می شوند)، هد پمپ، توانایی پمپ برای جابجا کردن حجم معینی از سیال است تا با غلبه بر افت فشار طول مسیر، افت فشار ناشی از وجود اتصالات و شیرآلات و گرانشِ ناشی از حرکت به سمت بالا، فشار کافی را در محل مصرف تأمین کند. اما، در پمپ سیرکولاسیون، تولید فشار معنایی ندارد و سیال به عنوان حامل انرژی در یک سیکل بسته (به هدف سرمایش یا گرمایش) گردش کرده و تنها بایستی توانایی کافی جهت غلبه بر المان های مقاوم در برابر حرکت سیال ایجاد گردد.

هد پمپ که معمولاً بر حسب واحد متر ستون آب تعریف می شود با دبی رابطۀ معکوس دارد. چنانکه منحنی عملکرد پمپ (مانند هر توربوماشین دیگری)، نشان می دهد که با افزایش هد، دبی پمپ کاهش می یابد؛ بنابراین، با کنترل و مدیریت عوامل افت فشار می توان با یک پمپ مشخص، دبی بیشتری را جابجا کرد.

چگونه هد پمپ چیلر را محاسبه کنیم؟

در محاسبۀ هد پمپ، افت فشار آب در اواپراتور تنها یکی از فاکتورهای مورد نظر است که می بایست توسط سازندۀ چیلر اعلام شود. باقی فاکتورها، شامل افت فشار ناشی از طول مسیر لوله کشی، کلکتورها، اتصالات و افت فشار در محل مصرف (مبدل فن کویل و یا هواساز)، باید توسط تیم مشاور بهره بردار محاسبه گردد. مجموع مقادیر تمامی این فاکتورها، عددِ هد پمپ را تعریف می کند.

– افت فشار اواپراتور

همانطور که گفته شد، افت فشار آب اواپراتور توسط سازندۀ چیلر اعلام می شود و غالباً عددی بین 2 تا 7 متر آب می­باشد. البته می بایست توجه داشت که میزان افت فشار آب در اواپراتور کاملاً متأثر از دبی آب در گردش است. بنابراین، افت فشار اعلام شده توسط سازنده، زمانی صادق است که دبی آب عبوری از اواپراتور نیز برگرفته از عددِ اعلامیِ سازنده باشد.

– افت فشار فن کویل، هواساز

آب سرد تولیدی توسط چیلر، نهایتاً از یک مبدل حرارتی، مثل کویل سرمایشیِ فن کویل یا هواساز، خنک کن روغن و غیره عبور می کند تا فرایند سرمایش تکمیل شود. افت فشار ناشی از عبور آب از این مبدل ها توسط سازنده اعلام می گردد که بسته به طراحی مبدل متفاوت است. اما، می توان عدد تقریبی 5 متر آب را برای محاسبات اولیه در نظر گرفت.

– افت فشار ناشی از طول مسیر

بسته به جنس لوله و همچنین قطر لوله که تعیین کنندۀ سرعت جریان است، با کمکِ نمودارهای تعریف، می توان افت فشار آب را به ازای 100 فوت طول لوله مشخص نمود. در ادامه برای محاسبۀ افت فشار کل مسیر کافی است کل طول رفت و برگشت لوله کشی را (بر حسب فوت) تقسیم بر 100 سپس ضربدر عدد به دست آمده از نمودار کرد. البته، می بایست توجه داشت که باید طولانی ترین فاصله بین چیلر و مبدل حرارتیِ مورد نظر، در محاسبات لحاظ گردد.

مثال: در ساختمانی، فاصلۀ بین چیلر و دورترین فن کویل، 25m است، دبی آب در گردش 300gpm است. سایز لولۀ رفت و برگشت چیلر 4in است. در این صورت افت فشار مسیر چقدر است؟

با توجه به نمودار بالا، افت فشار به ازای هر 100 فوت طول لوله، 5 فوت آب می باشد. طول کل مسیر رفت و برگشت، 50 متر معادل 164 فوت است. بنابراین، افت فشار مسیر برابر است با:

مبنای محاسبات نمودار بالا، فرمول دارسی وایسباخ است:

با توجه به رابطۀ بالا، بدیهی است که هر چه قطر لوله بزرگتر باشد، افت هد کمتر خواهد بود. بایستی توجه داشت، علاوه بر این که قطر لوله رابطۀ معکوس با افت هد دارد، افزایش آن باعث کاهش سرعت جریان آب می شود و از آنجا که سرعت در رابطۀ بالا توان 2 دارد، تغییر آن تأثیر بسیاری در افت هد خواهد داشت.

ضریب اصطکاک دارسی، تابعی از جنس لوله، میزان زبری آن و رژیم جریان (آرام، گذار یا متلاطم)، می باشد.

– افت فشار ناشی از اتصالات

طبیعتاً، در طول مسیر لوله کشی، اتصالاتی مانند زانویی ها و تبدیل ها نصب می شوند. وجود این اتصالات، افت فشار مضاعفی را در خط لوله کشی ایجاد می کنند. در محاسبات هد پمپ، مرسوم است که افت فشار ناشی از اتصالات را معادل 50% افت فشار ناشی از طول مسیر در نظر می گیرند. برای نمونه، با توجه به مثال بند قبل، 25/1 متر آب، بعنوان افت فشار ناشی از اتصالات لحاظ می شود.

– افت فشار کلکتور

در تمامی لوله کشی های آب سرد چیلر از کلکتور استفاده نمی شود. در برخی موارد، آب سرد تولیدی چیلر، توسط یک پمپ، مستقیم راهیِ رایزر اصلی شده و از آنجا در طبقات مختلف توزیع می شود. اما، زمانی که چند پمپ به صورت موازی کار می کنند و یا آب سرد تولیدیِ چیلر بین زون های مختلف تقسیم می شود یا به عبارتی بین چند رایزر اصلی توزیع می گردد، یک کلکتور رفت و یک کلکتور برگشت در خط لوله کشی، تعبیه می شود. با احتساب این که قطر کلکتور و انشعابات در محدودۀ استاندارد است، معمولاً به ازای هر کلکتور 5/0 متر ستون آب به عنوان افت هد در نظر گرفته می شود.

قطر کلکتور از طریق رابطۀ زیر محاسبه می شود:

موضوع مهمی که در تعیین محل نصب پمپ چیلر باید رعایت شود، این است که حتماً پمپ در خط آب ورودی به چیلر نصب گردد؛ چراکه در این صورت آب با اختلال کمتری از اواپراتور عبور کرده و به این ترتیب عملکرد اواپراتور به پیش بینی ما در زمان طراحی، نزدیک تر خواهد شد و در واقع می توانیم از ظزفیت برودتیِ چیلر بهرۀ بیشتری ببریم.

نتیجه گیری در انتخاب پمپ چیلر

انتخاب پمپ چیلر و محاسبات مربوط به آن باید به طور دقیق و توسط کارشناسان تهویه مطبوع و سیستم های برودتی انجام شود چرا که بر روی کارایی و راندمان چیلر و سیستم های متصل به آن از جمله فن کویل و هواساز اثر گذار است. در این مقاله متخصصین شرکت تهویه نگار فرمول های محاسباتی دبی و هِد پمپ و میزان اتلاف در مسیر را برای شما توضیح دادند.

شرکت تهویه نگار تولید کننده انواع سیستم های برودتی و تهویه مطبوع از قبیل انواع چیلر تراکمی هوا خنک و آب خنک، هواسازهای معمولی و بیمارستانی، اتواع برج خنک کننده فایبرگلاس و فلزی و انواع فن کویل های سقفی و زمینی است. برای مشاوره و خرید محصولات با استعلام قیمت روز با کارشناسان ما تماس بگیرید.

کارشناس فروش 09102072884