لوله های حرارتی که امروزه کاربرد روزافزونی پیدا کرده اند، وسیله ای کارآمد برای انتقال حرارت هستند. در مطلب حاضر، به کاربرد لوله های حرارتی در صنایع تبرید پرداخته می شود که شامل رطوبتگیری از هوا و تامین سرمایش در زمستان بدون نیاز به صرف انرژی می باشد.
تعریف لوله های حرارتی (لوله های گرمایی):
لوله حرارتی وسیله ای است که می تواند حرارت را به سرعت از نقطه ای به نقطه دیگر انتقال دهد. لوله های گرمایی عموما با عنوان "ابر رسانا"ی حرارتی شناخته می شوند زیرا دارای ظرفیت و نرخ فوق تصور انتقال حرارت، با تلفات حرارتی نزدیک صفر هستند.
ایده لوله های حرارتی اولین بار توسط R.S. Gaugler در 1942 پیشنهاد شد. در سال 1962، G.M Grover آن را اختراع کرد.
ساختمان لوله های حرارتی:
لوله حرارتی از یک مخزن آلومینیومی یا مسی تشکیل شده است که سطح داخلی آن دارای یک ماده فتیله ای[1] است که خاصیت مویینگی[2] دارد. یک لوله حرارتی شبیه سیفون حرارتی می باشد. تفاوت آن با سیفون حرارتی، در این است که توانایی انتقال حرارت را در جهت عکس گرانش به وسیله سیکل تبخیر-میعان به کمک مویینه های متخلخل که ماده فتیله ای را تشکیل می دهند دارد. فتیله یک نیروی محرک مویین را برای بازگشت کندانسه به اواپراتور فراهم می کند. کیفیت و نوع فتیله معمولا تعیین کننده کارایی لوله حرارتی می باشد، به همین جهت فتیله قلب دستگاه می باشد. انواع مختلفی از فتیله که به کار می روند بستگی به کاربردی دارند که لوله حرارتی برای آن استفاده می شود.
یک لوله حرارتی تجاری از یک استوانه خالی که از یک مایع قابل تبخیر پر شده است تشکیل می شود
- حرارت در قسمت اواپراتور جذب می شود
- سیال می جوشد و به فاز بخار می رود
- حرارت از بخش بالایی استوانه به سوی محیط خارج می رود
- سیال توسط گرانش به بخش پایینی استوانه (قسمت اواپراتور) باز می گردد
چیدمان لوله های حرارتی:
ساختمان لوله های حرارتی را می توان در دو بخش خلاصه کرد: پیش سردکن یا پری هیتر [3] و ری هیتر[4]. بخش اول در جریان ورودی هوا قرار می گیرد. وقتی که هوای گرم از میان لوله های حرارتی پیش سردکن (پری هیتر Preheater) عبور می کند، مبرد درون لوله های حرارتی تبخیر می شود، حرارت را به بخش دوم لوله های حرارتی که در پایین دست جریان قرار دارد منتقل می کند. به دلیل اینکه قبل از این که هوا با کویل اواپراتور (Evaporator Coil) مواجه شود کمی از حرارت آن خارج می شود، بخش جریان ورودی هوا را لوله حرارتی پیش سردکن می نامند.
هوایی که از میان کویل اواپراتور عبور می کند، دارای دمای کمتری می شود که باعث خروج کندانسه بیشتر با صرف انرژی کمتر می شود. هوای بیش از حد سرد شده سپس به وسیله لوله حرارتی بازتاب (ری هیتر Reheater) به دمای آسایش می رسد، که از حرارت منتقل شده از لوله حرارتی پیش سرد کن استفاده می کند.
در ادامه کاربردهای لوله حرارتی توضیح داده خواهد شد:
1. لوله حرارتی به عنوان کمک یخچال (شیر یک طرفه حرارتی):
اگر یخچال در یک محیط سرد مورد استفاده قرار گیرد، معمولا وقتی که یخچال کار می کند، دمای هوای خارج کمتر از یخچال می باشد. یک روش ساده برای استفاده از سرمای خارج برای سرد کردن یخچال به کار گرفتن لوله حرارتی است.
وقتی که دمای محیط خارج کمتر از دمای داخل یخچال است، مایع مبرد در آن قسمت از لوله حرارتی که درون یخچال قرار دارد می جوشد، حرارت را جذب می کند و فضای داخل یخچال را سرد می کند. سپس مبرد در خارج از یخچال کندانسه می شود و دوباره به درون یخچال بر می گردد. فشار داخل لوله با دما تغییر می کند؛ در نتیجه وقتی که دمای خارج از داخل یخچال کمتر است، مایع دایما در حال جوشش است. این دستگاه به صورت یک شیر یک طرفه گرمایی (One-way Heat Valve) عمل می کند؛ اگر دمای محیط خارج از دمای داخل یخچال گرم تر باشد حرارت به درون یخچال منتقل نمی شود.
2. کاربرد لوله حرارتی در تهویه مطبوع:
در یک سیستم تهویه مطبوع، مبرد محبوس، که در دمای پایینی می جوشد، حرارت را از هوای گرم بازگشتی (Return Hot Air) جذب می کند و در داخل لوله تبخیر می شود. سپس بخار به سوی انتهای دیگر لوله حرارتی حرکت می کند (انتهای بلند) که در معرض جریان هوای سردی قرار دارد که توسط دستگاه تهویه مطبوع فراهم می شود (Supply Air).
حرارتی که از هوای گرم در انتهای پایینی جذب می شود اکنون توسط بخار مبرد در طول دیواره های لوله به هوای تامینی خنک منتقل می شود. این از دست دادن حرارت باعث می شود که بخار موجود درون لوله مجدداً تقطیر شده و به مایع تبدیل شود. مبرد مایع شده توسط گرانش به انتهای پایینی لوله حرارتی باز می گردد جایی که سیکل از آنجا دوباره آغاز می شود.
مزیت به کار بردن لوله های حرارتی در سیستم های تهویه مطبوع:
- بهبود سطح آسایش
- کاهش رطوبت
- افزایش کیفیت هوا
- سادگی نصب در سیستم های موجود
- بدون قطعات متحرک
- بدون نیاز به انرژی اضافی برای انجام کار
- کاهش %15 از انرژی A/C
- کاهش %22 از بار HVAC
مزیت های دیگر استفاده از لوله های حرارتی در تهویه مطبوع عبارتند از:
افزایش خروج رطوبت در سیستم HVAC:
درون مبدل حرارتی لوله حرارتی (HPHX) پیش سرد کن خنثی، هوایی که به کویل خنک کننده وارد می شود سردتر است و رطوبت نسبی آن بیشتر می باشد. این به کویل خنک کننده اجازه می دهد که تا دو برابر رطوبت بیشتری خارج نماید.
کنترل رشد کپک در کانال های هوا:
درون بازتاب خنثی HPHX، هوایی که کویل سرد کننده را ترک می کند و وارد کانال ها می شود دارای رطوبت نسبی کمتری است. کپک نمی تواند در این محیط خشک رشد کند.
امکان تنظیم بالاتر ترموستات:
با ایجاد سطح مناسبی از رطوبت، ترموستات را می توان در دمای بالاتری قرار داد بدون این که از آسایش خارج شویم. این باعث 10 تا %30 ذخیره انرژی می شود.
امکان افزایش دمای آب سرد شده:
با افزایش خروج رطوبت در کویل خنک کننده، دمای آب سرد شده می تواند در حین فراهم کردن شرایط داخلی دما و رطوبت، چندین درجه افزایش یابد. این افزایش در کارایی انرژی سیستم HVAC به وسیله کاهش زمان کار چیلر و/یا افزایش دمای اواپراتور چیلر به دست می آید.
جایگزینی سیستم حرارتی:
مبدل حرارتی لوله حرارتی به عنوان جایگزین مستقیم سیستم های بازتاب یا ریهیت (Reheat) الکتریکی، آب گرم، بخار و یا گاز داغ به کار می رود. به دلیل این که بازتاب HPHX خنثی است، هیچ خرج عملیاتی برای تولید آن وجود ندارد. به دلیل این که در مرحله پیش گرمایش در HPHX بازتاب خارج می شود، هیچ بار اضافی روی کمپرسورها مانند آنچه که در انواع دیگر بازتاب می تواند باشد وجود ندارد. این باعث کاهش قیمت اولیه و کاهش قیمت عملیاتی می شود.
مزایای طولانی مدت برای افراد و ساختمان ها:
با کنترل رطوبت در کانال های هوا و فضای هوا گیر، مبدل های حرارتی لوله حرارتی موارد زیر را فراهم می آورند:
- افزایش عمر کتاب ها، نوارها، مواد ساختمانی و مبلمان
- کارایی بهتر ماشین های کپی، پرینترهای کامپیوتری و دیگر تجهیزات اداری
- کارایی بهتر کارمندان
- نیاز کمتر به بیمه پزشکی
کویل سرد کننده یک دستگاه تهویه مطبوع رطوبت را از هوا خارج می کند
شکل شماتیک سیستم تهویه مطبوع در ساختمان تحت بررسی
خلاصه:
مبرد درون لوله های حرارتی ک سیستم بسته را تشکیل می دهد. وقتی که این سیستم به حالت steady می رسد، به علت صلب بودن لوله، تبادل کار با محیط خارج صفر است. از قسمت پایینی لوله حرارت وارد سیستم می شود و از قسمت بالایی آن خارج می شود. سیال درون لوله هیچ گونه سیکلی را طی نمی کند بلکه روی یک خط مستقیم همواره در حال حرکت از مایع اشباع به سوی بخار اشباع و برعکس است.
این سیستم می تواند ابزاری با ضریب انتقال حرارت بالا فراهم آورد و از این جهت می تواند دارای کاربردهای وسیعی شود. ضریب انتقال حرارت ظاهری آن رابطه نزدیکی با سرعت حرکت بخار درون لوله دارد.
این سیستم می تواند به عنوان یک شیر یک طرفه انتقال حرارت به کار رود که دارای کاربردهای زیادی است. در صنعت تبرید می تواند در سرمای زمستان برودت سردخانه را از برودت هوای خارج تهیه کند.
وسیع ترین کاربرد آن در HVAC، رطوبت زدایی از هواست. به این ترتیب که مقداری حرارت از هوای ورودی قرض می گیرد. هوایی که به این ترتیب خنک شده است مقدار بیشتری از رطوبت خود را در کویل های رطوبت گیر از دست می دهد، پس از این کار لوله حرارتی دوباره حرارت گرفته شده را به هوا پس می دهد. در این میان بدون اینکه کاری صورت گرفته باشد مقداری از گرمای نهان هوا گرفته می شود.
