کنترلهای سطح مایعات
در سیستمهای تاسیسات حرارتی و برودتی تجهیزات بسیاری وجود دارد که بایستی سطح مایع در آنها کنترل گردد مانند مخازن در ارتفاع، مخازن سوخت روزانه، کنترل سطح آب در تشتک برج خنک کن، تلههای روغن در کمپرسورها، تله بخار، منابع انبساط باز، دیگهای بخار و آب داغ و بسیاری از منابع ذخیره در صنایع نفت و پتروشیمی و…. بنابراین با توجه به گستردگی موارد استفاده از آنها، کنترل کنندههای سطح زیادی با شکلها و مکانیزمهای مختلف ساخته شده و به بازار عرضه گردیده است. در این قسمت به سه نوع مختلف که از نظر عملکرد مشابه ولی از نظر شکل ظاهری متفاوت هستند و سایر کنترل کنندههای سطح که جز، یکی از سه گروه: زیر هستند میپردازیم که عبارتند از کنترل سطح مکانیکی، کنترل سطح: الکترومکانیکی و کنترل سطح الکتریکی (الکترودی)
کنترل سطح مکانیکی:
ساختمان این کنترل کننده سطح بسیار ساده است و تشکیل شده است از یک شیر سوپاپی یا سوزنی و یک شناور (غواصک)، که به منظور کنترل سطح مایعات در مخازن و منابع انبساط بکار میرود. شناور آن یک کره یا استوانه توخالی و بدون منفذ است که از جنس مس، آلومینیوم و یا مواد پلاستیکی ساخته شده است شناور به وسیله یک اهرم مکانیکی به سوپاپ شیر متصل است به طوریکه با پائین رفتن سطح مایع شناور با نیروی ثقل خود به سمت پائین حرکت میکند و مسیر مایع ورودی به مخزن را باز میکند با افزایش سطح مایع شناور هم حرکت نموده و سوپاپ شیر را در جهت بسته شدن حرکت میدهد. و جریان مایع به مخزن قطع میشود. سطح مایع در مخزن توسط حرکت شناوری شیر کنترل میشود بنابراین بایستی شیر شناوری نزدیک به سطح تعیین شده نصب گردد. شیرهای شناور سمت فشار کم و سمت فشار زیاد از این نوع کنترل کنندههای سطح میباشد که برای کنترل سطح مایع مبرد در اواپراتورهای مرطوب و کندانسر چیلرهای سانتریفوژ بکار میرود. شکل (۱) نمونه شیر شناوری را نشان میدهد.
شکل (۱)- نمونه شیر شناوری
کنترل سطح الکترومکانیکی
به دلیل تغییرات فشار در سیستمهای مختلف و همچنین اعمال فشار لازم برای انتقال مایع از قسمتی با فشار کم به قسمت دیگر با فشار زیاد (تغییر فشار بر اثر اختلاف ارتفاع، یا تغییرات درجه حرارت و…. که در سیستمهای بسته بوجود میآید) . کنترل دقیقتر و سریعتر، از انرژی الکتریکی و به کمک وسایل الکتریکی در سیستمهای مختلف استفاده گردیده است به عنوان مثال آبرسانی از استخر یا چاه به مخزن در ارتفاع و یا انتقال آب از منبع کندانس دیگ بخار به داخل دیگ که دارای اختلاف فشارهستند الزاماً بایستی از پمپ و کنترل سطح الکترومکانیکی استفاده گردد. با توجه به اهمیت مسئله، کنترل سطح الکترومکانیکی در شکلها و انواع مختلفی ساخته شده و به نام میکروسوئیچی و جیوهای معروف هستند شکل (الف) یک کنترل سطح میکروسوئیچی و شکل (ب) کنترل سطح جیوهای را نشان میدهد.
کنترل سطح میکروسوئیچی
این نوع کنترل کننده سطح مایعات تشکیل شده از یک میکروسوئیچ دو طرفه و یک شناور (غواصک) و در مخزنی که سطح آن بایستی کنترل گردد نصب میگردد با پائین رفتن سطح مایع، شناور با نیروی ثقل خود حرکت کرده و میکروسوئیچ آن تغییر وضعیت میدهد یعنی اگر در حداکثر ارتفاع قرار گرفته باشد با پائین رفتن سطح مایع تیغه معمولاً بسته آن که با افزایش سطح قطع شده. اکنون با پایین رفتن سطح مایع وصل میکند و به شیر برقی یا پمپ فرمان وصل میدهد مجدداً با بالا رفتن سطح مایع تیغه آن باز شده و شیر برقی یا پمپ را خاموش میکند به چنین کنترل کنندهایی کنترل سطح بالا میگویند. و اگر کنترل کننده سطح در حداقل ارتفاع نصب شده باشد و با پایین رفتن سطح مایع تیغه آن وصل گردد، (مانند کنترل حداقل سطح آب در دیگ بخار که به مشعل فرمان میدهد،) کنترل کننده سطح پائین میگویند. با توجه به کنترل حداقل و حداکثر، کنترل کنندههای سطح میکروسوئیچی دارای حداقل سه ترمینال جهت اتصال مدار الکتریکی میباشد. که یکی مشترک، یکی کنترل سطح بالا و دیگری کنترل سطح پایین میباشند و بستگی به نوع فرمان و طراحی سیستم انتخاب و نصب میگردند. شکل (۲) کنترل سطح حداقل و حداکثر را نشان میدهد که در یک کویل بخار نصب شدهاند.
شکل (۲) – کنترل سطح حداقل و حداکثر یک کویل بخار
کنترل کنندههای جریان مایع مبرد
کنترل کنندههای جریان مایع مبرد همان شیرهای انبساط میباشند که با توجه به ظرفیت برودتی اواپراتورها انتخاب شده و دو وظیفه اصلی را به عهده دارند:
کنترل مقدار جریان مایع مبرد از خط مایع به اوپراتور با توجه به شدت تبخیر در اواپراتور یعنی مقدار مایع ورودی به اواپراتور توسط شیر انبساط کنترل شده. به طوریکه شدت تبخیر با مقدار دبی جریانی متناسب باشد.
ایجاد اختلاف فشار لازم بین قسمت فشار زیاد و فشار کم که اختلاف این دو قسمت بستگی به درجه حرارت تبخیر در اواپراتور و درجه حرارت تقطیر در کندانسور دارد.
به طور کلی کنترل کنندههای مقدار مایع مبرد هفت نوع میباشند که عبارتند از:
۱٫ لوله موئین (Capillary Tube)
۲٫ شیر انبساط دستی (Hand Expansion Valve)
۳٫ شیر انبساط اتوماتیک (Automatic Expansion Valve)
۴٫ شیر انبساط ترموستاتیکی (Thermostatic Expansion Valve)
۵٫ شیرهای انبساط ترموستاتیکی متعادل شونده
(Equalized, Thermostatic Expansion Valve)
۶٫ شیرهای انبساط شناوری (Float Expansion Valve)
۷٫ شیر انبساط الکتریکی (ترمیستوری) (Electrical Expansion Valve)
هر یک از کنترل کنندههای فوق با توجه به نوع سیستم و روش تبخیر مبرد در اواپراتور انتخاب میشوند و در هر کدام از آنها سعی شده است که اشکالات موجود در سیستم را برطرف نموده تا کمپرسور در شرایط بهتری کار کند. ظرفیت برودتی اواپراتور، درجه حرارت یا فشار اواپراتور و نوع مبرد جریانی در سیکل از مشخصههای مهم در انتخاب شیرهای انبساط میباشند.
شیر انبساط شناوری
در اواپراتورهای مرطوب دستگاههای میان سردکن و مخازن مایع جهت کنترل جریان مبرد از شیرهای انبساط شناوری استفاده میگردد. کنترل کنندههای شناوری تشکیل شده است از یک گوی شناور (کرهایی یا استوانهایی توخالی) که ضمن کنترل سطح مایع در اواپراتور یا میان سرد کن، و برای کنترل دبی مبرد مورد نیاز اواپراتور نسبت به تغییرات بار حرارتی سوزن شیر را باز و بسته میکند. مزیت عمده این شیرها به دلیل قابل استفاده بودن در اوپراتورهای مرطوب این است که از تمام ظرفیت اواپراتور استفاده میگردد و راندمان بالایی دارند. یعنی در اواپراتورهای مرطوب قسمت زیادی از کویلهای اواپراتور در فاز مایع قرار میگیرند و به ویژه در انتهای اواپراتور ضریب انتقال حرارت در طرف مبرد زیاد میشود به همین دلیل شیرهای شناوری عمدتاً در سیستمهای با ظرفیت بالا مانند چیلرهای سانتریفیوژ کاربرد دارند و بسته به اینکه شناور شیر انبساط در قسمت کم فشار یا پرفشار باشد به نام کنترل کننده شناوری سمت فشار کم و کنترل کننده شناوری سمت فشار زیاد تقسم بندی میشوند. شکل (۳) شماتیک داخلی شیر شناوری را نشان میدهد.
شکل (۳)
اواپراوتور مرطوب (Flooded Evaporator)
یک اواپراتور مرطوب در شکل(۴) نشان داده شده است، که در آن مایع از شیر انبساط شناور داری وارد لولههای اواپراتور خواهد شد. وقتی مایع وارد لولهها شد حرارت محیط موجب تبخیر و جوش آن میگردد و مخلوط مایع و بخار از لوله به طرف محفظه تفکیک که شناور در آن میباشد خواهد رفت،
شکل(۴)
عمل این محفظه، تفکیک مایع و بخار از هم خواهد بود که در آن مایع به اواپراتور برگشته و بخار به طرف کمپرسور خواهد رفت، این محفظه تفکیک همچنین گازی را که بعد از شیر انبساط خواهیم داشت از مایع تفکیک خواهد نمود و مانع ورود گاز به اواپراتور خواهد شد.
در این حالت چون همواره، تمام سطح اواپراتور با مایع تماس دارد اواپراتور با عملکرد خوبی کار خواهد کرد زیرا ضریب فیلم سمت مبرد که مایع است بالا میباشد.
چیلر مایع (Liquid chiller)
در یک اواپراتور که از نوع پوسته و لوله میباشد، مبرد میتواند در پوسته و مایعی که باید سرد شود در داخل لولهها جریان داشته، و یا به عکس مبرد در داخل لولهها و مایعی که باید سرد شود در داخل پوسته جریان داشته باشد.
شکل (۵)و(۶) شمای سادهای از این دو نوع اواپراتور را نشان میدهد.
شکل (۵)
شکل (۶)
در صورتیکه مبرد در پوسته باشد، مانند شکل (۵) ، ممکنست برای تغذیه شیر انبساط شناوردار یا شیر انبساط حرارتی مایع مبرد را به اواپراتور تغذیه نماید. اگر مبرد در لوله و سیال دیگر در پوسته باشد، شکل (۶) شیر انبساط حرارتی خواهیم داشت در این حالت وجود پرهها در پوسته موجب تماس و تبادل حرارتی بیشتری بین دو سیال خواهد شد، یعنی یک حالت تلاطم بیشتر و در نتیجه ضریب انتقال حرارت کلی بیشتری خواهیم داشت. این اواپراتور از نوع اواپراتور خشک میباشد چون شیر انبساط حرارتی طوری عمل میکند که مبرد در قسمتی از لوله داغ خواهد شد.
شیر انبساط شناوردار
این شیرها به فرمان شناوری که روی مایع اواپراتور قرار میگیر کار میکند، یعنی وقتی مایع به حداقل خود رسید شناور به شیر فرمان میدهد که اواپراتور را از مبرد بیشتری تغذیه و هنگامی که سطح مایع به حداکثر خود رسید شناور به شیر فرمان میدهد که بسته شده تا مبرد کمتری وارد اواپراتور شود. شکل (۷) نقطه تعادل A را نشان میدهد. اگر بار سرمائی زیاد شود درجه اواپراتور و فشار آن نیز زیاد خواهد شد، و کمپرسور نیز سیال بیشتری را متراکم خواهد کرد که نقطه تعادل جدید B میباشد و شیر تا تامین دبی لازم باز خواهد شد. در حالیکه اگر بار تبرید کم شود، درجه حرارت و فشار کاهش یافته و سطح مایع بالا میرود و در نقطه C شیر بسته شده و تعادل جدیدی ایجاد میگردد.
این شیر انبساط سلنوئیدی ممکن است از شناور سطح در پوسته اواپراتور و یا از محفظهای در پوسته اواپراتور فرمان گرفته که معمولاً در سیستمهای با قدرت بالا از آن استفاده خواهد شد.
واضح است که این شیر انبساط را نمی توان در مورد اواپراتورهائی که مبرد در لوله جریان دارد بکار برد.
شکل (۷)
کنترل کننده اواپراتور مرطوب
کنترل کنندههای مبردی که با اواپراتورهای مرطوب به کار میروند، معمولاً از نوع شناوری میباشند. کنترل کنندههای شناوری از یک گوی شناور (کره یا استوانهای توخالی) که به تغییرات سطح مبرد مایع، حساس میباشند و با تغییر سطح آن در محفظه شناور شیر را برای ورود کمتر یا بیشتر مبرد، باز و بسته مینمایند تشکیل شده است. بسته به اینکه شناور در طرف پرفشار یا کم فشار سیستم قرار گرفته باشد آن را شناور پرفشار یا کم فشار مینامند. مزیت اصلی اواپراتور های مرطوب، ظرفیت و راندمان بالای آنهاست. در حالی که در اواپراتورهای خشک مبرد عمدتاً در فاز بخار میباشد در اواپراتورهای مرطوب مبرد در تمام قسمتهای اواپراتور عمدتاً در فاز مایع است بنابراین به ویژه در قسمت انتهایی اواپراتور ضریب انتقال حرارت در طرف مبرد زیاد میباشد و به همین دلیل کنترل کنندههای شناور (که با اواپراتورهای مرطوب مورد استفاده قرار میگیرند) به طور وسیعی در تاسیسات بزرگ سرد کردن مایعات به کار برده میشود. ولی به دلیل حجم زیاد و نیاز به مبرد بیشتر، از کنترل کنندههای شناور به ندرت در تاسیسات کوچک استفاده میشود و معمولاً از شیرهای انبساط ترموستاتیک یا از لولههای موئین که سادهتر و اقتصادیترند استفاده میکنند.
کنترل کنندههای شناوری سمت کم فشار
شیرهای شناوری کم فشار (شناورهای طرف کم فشار سیستم) با وارد نمودن مبرد مایع با همان شدتی که مایع در اثر تبخیر از اواپراتور خارج میشود، سطح مایع در اواپراتور را در حد ثابتی نگه میدارند. این شیرها صرفاً به سطح مایع موجود در اواپراتور حساس میباشند و بدون توجه به دما و فشار اواپراتور در تمام شرایط آن را تا سطح مورد نظر با مایع پر نگه میدارند. کار شیرهای شناور ممکن است مداوم یا تناوبی باشد. شیرهای شناور با کار مداوم به صورت تروتلینگی عمل مینمایند و در پاسخ به تغییرات کوچک سطح مایع در اواپراتور، باز و بسته میشوند و مایع مبرد کمتر یا بیشتری وارد اواپراتور میکنند ولی شیرهای شناور تناوبی با استفاده از مکانیزم toggle طوری طراحی شدهاند که به سطح حداقل و حداکثر مبرد مایع موجود در داخل اواپراتور حساس بوده و با رسیدن سطح مایع به حدود از پیش تعیین شده شیر را کاملاً باز یا بسته می نمایند.
شیرهای شناور کم فشار ممکن است مستقیماً در اواپراتور یا آکومولاتور و یا خارج از آنها در محفظهای جداگانه قرار گیرند.
در سیستمهای با ظرفیت بالا معمولاً برای اینکه بتوان در صورت خراب شدن شیر شناوری از سیستم استفاده نمود یک لوله میانبر مجهز به شیر انبساط دستی در کنار شیر شناوری قرار میدهند. همچنین برای اینکه بتوان در صورت خراب شدن شناور بدون تخلیه مقدار زیادی مبرد از اواپراتور آن را باز و تعمیر نمود از شیرهای قطع و وصل دستی در طرفین شناور استفاده میکنند شکل(۸). در این شکل برای به جریان انداختن اجباری مبرد از لولههای اواپراتور، از یک پمپ مایع استفاده شده است. شیر انبساط دستی موجود در لوله میانبر در کنار پمپ مایع شکل (۸) امکان انجام تبرید در صورت خرابی پمپ را فراهم مینماید. مقایسه این روش جریان مایع با روش جریان انژکتوری شکل (۹) و روش جریان ثقلی جالب توجه است. میتوان از یک یا چند شیر شناور موازی با شیرهای انبساط ترموستاتیک استفاده نمود ولی معمولاً از یک شیر شناور کم فشار برای کنترل جریان مایع به چندین اواپراتور مختلف استفاده میکنند.
.
شکل(۸)
شکل(۹)
شیرهای شناور سمت پرفشار
شیرهای شناور پرفشار نیز همچون شیرهای کم فشار یا تغییرات سطح مایع تحریک میشوند و جریان مبرد مایع به اواپراتور را متناسب با شدت تبخیر آن در اواپراتور، تنظیم میکنند. در حالی که شیرهای شناور کم فشار سطح مایع موجود در اواپراتور را مستقیماً کنترل میکنند، شیرهای شناور پرفشار در طرف پرفشار سیستم قرار گرفتهاند و با ثابت نگه داشتن سطح مایع در محفظه شناور پرفشار، مقدار مایع موجود در اواپراتور را به طور غیرمستقیم کنترل مینمایند. شکل (۱۰) اصول کار شیرهای شناور پرفشار نسبتاً ساده است. بخار مبرد خروجی از اواپراتور، پس از تقطیر در کندانسور وارد محفظه شناور میشود و با افزایش سطح مایع داخل آن باعث باز شدن شیر میشود طوری که مقدار متناسبی مایع از محفظه شناور برای پر کردن اواپراتور خارج شود. چون بخار همواره با همان شدت تبخیر در اواپراتوردر کندانسور تقطیر میشود شیرهای شناور پرفشار بدون توجه به بار سیستم، برای جبران تبخیر مایع در اواپراتور، مایع را با شدت لازم به طور مداوم و اتوماتیک به اواپراتور تغذیه میکنند. هنگامی که کمپرسور خاموش میشود سطح مایع در داخل مخزن پایین میآید و باعث بسته شدن شیر تا روشن شدن مجدد کمپرسور میشود.
شکل (۱۰)
چون شناورهای پرفشار تنها اجازه میدهند مقدار خیلی کم و مشخصی از مبرد در طرف پرفشار سیستم باقی بماند، لکن قسمت اعظم مبرد همواره در اواپراتور میباشد و میزان مبرد موجود در سیستم بحرانی است زیرا وجود بیش از حد مبرد در سیستم باعث خواهد شد شیر شناور اواپراتور را بیش از حد تغذیه نماید و در نتیجه مبرد مایع وارد کمپرسور شود. به علاوه چنانچه میزان مبرد موجود در سیستم به طور قابل ملاحظهای بیشتر باشد شیر شناوری جریان مبرد را به اندازه کافی تروتله نکرده و کمپرسور نخواهد توانست فشار اواپراتور را به حد پایین مورد نظر تقلیل دهد. از طرف دیگر در صورتی که مبرد موجود در سیستم کم باشد کار شیر شناوری مختل میشود و اواپراتور از مبرد خالی خواهد شد. شیرهای شناور پرفشار ممکن است مطابق شکل (۱۰) با اواپراتورهای خشک و یا به صورت شکل (۱۱) همراه با اواپراتورهای مرطوب مورد استفاده قرار گیرند. در صورتی که از شیرهای شناوری با اواپراتورهای مرطوب استفاده میشود مبرد مایع خروجی از شیر به مخزن موج گیر (مخزن ذخیره مایع کم فشار) منبسط میشود و از طریق لولهای کوتاه که به پایین آن متصل است به اواپراتور جریان مییابد. به این ترتیب بخار مبرد ناشی از تبخیر مایع در اثر انبساط آن در عبور از شیر شناوری از قسمت فوقانی مخزن موج گیر خارج خواهد شد. برای جلوگیری از ورود مایع به کمپرسور در اثر تغییرات بار سیستم، حجم مخزن موجگیر بایستی حداقل ۲۵٪ حجم اواپراتور باشد.
شکل (۱۱)
ساختمان یک شیر شناوری پرفشار در شکل (۱۲) نشان داده شده است. ملاحظه میشود که با افزایش سطح مایع شیر شناوری باز خواهد شد. ساختمان سوزن و بازوی شناور چنان هستند که با کاهش سطح مایع در محفظه شناور، سوزن شیر در اثر وزن کره شناور در جهت بسته شدن حرکت مینماید. همچنین کره شناور طوری نصب میشود که نشیمنگاه شیر همواره در داخل مبرد مایع مستغرق بوده و احتمال Wiredrawing ناشی از عبور گاز پرسرعت از سوزن و نشیمنگاه مرتفع میگردد. همچنین برای جلوگیری از تجمع گازهای غیرقابل تقطیر که ممکن است به طرق دیگری در محفظه شناور جمع شده و با افزایش فشار آن مانع از ورود مایع به محفظه شناور شوند از لوله تخلیه گاز استفاده شده است. استفاده از این لوله امکان نصب شیر شناوری پرفشار در هر سطحی بالاتر یا پایینتر از سطح کندانسور را بدون خطر گرفتگی مسیر به دلیل تجمع گاز فراهم میسازد. شیرهای شناوری پرفشار برخلاف شیرهای کم فشار تابع سطح مایع موجود در اواپراتور نیستند و ممکن است بالاتر یا پایینتر از آن نصب شوند. به هر حال شیرهای شناور بایستی حتیالمقدور به اواپراتور نزدیک باشند و برای اطمینان از عملکرد صحیح، کره شناور و اجزای شیر در سطحی افقی قرار گیرند. در صورتی که فاصله شیر شناور از اواپراتور زیاد باشد.
شکل (۱۲)
معمولاً برای جلوگیری از انبساط پیش از موعد مایع تا رسیدن به اواپراتور از وسایلی برای بالا نگه داشتن فشار در لوله مابین شیر شناور و اواپراتور استفاده میکنند.
در سیستمهای کوچک این امر با نصب یک شیر واسطه بر روی لوله مایع در ورودی اواپراتور انجام میشود ولی در سیستمهای بزرگتر معمولاً از شیرهای پایلوت استفاده میکنند.
کلید شناور
همانطوری که در شکل (۱۳) نشان داده شده است میتوان از کلید شناور برای کنترل سطح مایع موجود در اواپراتور استفاده نمود. کلید شناور از دو قسمت تشکیل شده است: ۱- محفظه شناور که به یک کره شناور (که با تغییرات سطح مایع در اواپراتور و محفظه بالا و پایین میرود) مجهز است ۲- یک کلید جیوهای که با کاهش یا افزایش سطح مایع در اواپراتور شیر برقی لوله مایع را به ترتیب باز و بسته مینماید. برای اینکه از جریان ناگهانی مبرد مایع به اواپراتور در اثر باز شدن شیر برقی جلوگیری شده و شیر برقی پی در پی روشن و خاموش نشود، برای تروتله کردن مبرد مایع یک شیر انبساط دستی مابین شیر برقی و اواپراتور نصب مینماید. کلیدهای شناور در قسمتهای الکتریکی سیستمهای تبرید کاربردهای زیادی دارند. میتوان با استفاده از یک کلید با عمل معکوس ترتیبی اتخاذ نمود که شیر در موقع بالا آمدن شناور، عمل نماید.
شکل(۱۳)
رکتیفایر: در رکتیفایر کویل آب سرد خواهیم داشت مقداری بخار آب و مقدار کمی آمونیاک تقطیر شده به ژنراتور برمیگردد.
این وسیله برای بالا بردن راندمان مولد میباشد به طوری که با حرکت محلول از بالا به پایین و انتقال حرارت از پایین به بالا آمونیاک محلول قوی جدا شده و آب و محلول ضعیف باقی مانده دوباره به جاذب برمیگردد.
در واقع تقلیل آبی که در اواپراتور جریان خواهد یافت راندمان را بالا می برد به توسط رکتیفایر.
نکته: در سیستمهای لیتیم بروماید بخار آب خالص ژنراتور را ترک میکند زیرا برومید لیتیم که به صورت نمک است قابلیت تبخیر ندارد. (رکتیفایر در این سیستم حذف میشود.)