جانمایی مناسب برای افزایش کارایی چیلرهای هواخنک

تعییین موقعیت مناسب برای تجهیزات در چیلرهای هواخنک اهمیت بسزائی دارد. برای مثال، اغلب به دلایل زیبائی، چیلرها پشت المان های معماری و یا در مکان هایی که در معرض دید عموم قرار ندارند، نصب می شوند. این مورد می تواند جریان هوای محیط به سمت این چیلرها را محدود کند. به علاوه، ممکن است کارایی کندانسورهای هواخنک به دلیل دمای بالای محیط و وزش شدید باد، بر اثر برگشت گازهای داغ تخلیه شده از فن کندانسورها به محل ورودی هوا به چیلرها، کاهش یابد.

سرعت و جهت باد، فواصل بین چیلرها، فاصله از ساختمان، ارتفاع دیوار ساختمان و جنس دیوار می تواند بر پراکنده شدن گازهای خروجی از چیلرها اثر گذاشته و دمای هوای ورودی به کندانسور هواخنک را افزایش دهد. مقاله پیش رو، حاصل یک بررسی دینامیک محاسباتی سیالات (CFD)، برای فهمیدن اثر سرعت باد، جهت باد (قرارگیری چیلر نسبت به جهت باد)، فواصل بین چیلرها و فاصله چیلرها از اجزاء ساختمانی است.

کارآیی سرمایشی کندانسورهای هواخنک، بر مبنای الگوهای جریان هوا، پراکندگی گازهای تخلیه شده دراطراف چیلرها و توزیع دمای هوای چیلر در ورودی ها ارزیابی می گردد. میزان برگشت گازهای داغ خروجی به دریچه های ورودی هوا و تاثیر آن بر کارآیی چیلر، بر مبنای افزایش میانگین دمای هوای ورودی، تخمین زده می شود.

در این پژوهش، یک مدل سه بعدی، دارای حالت پایدار و غیرهم دمای CFD از یک مجموعه با چهار چیلر هواخنک برای این تحلیل، ایجاد شد و توسعه یافت. همانطور که در تصویر 1 نشان داده شده است، چیلرها در کنار یک ساختمان سه طبقه که 40 فوت (12متر) ارتفاع و 120000فوت مربع (11100مترمربع) مساحت دارد، قرار گرفتند. هر چیلر با مجموع 16 فن که در 2 ردیف مرتب شده اند، تجهیز شده است. نرخ جریان هوای تغذیه برای هر فن 10000مترمکعب در دقیقه (4700 لیتر در ثانیه) بوده و افزایش دمای هوا (تغییر دما) در طول کویل کندانسورها، 20درجه فارنهایت (11درجه سانتیگراد) در نظر گرفته شده است. بنابراین هر چیلر، ظرفیت انتقال گرمائی در حدود 3470 میلیون بی تی یو درساعت (1020کیلووات) را دارا می باشد.

شکل 1 : جهت گیری چیلر نسبت به باد

همانطور که در شکل 1c نمایش داده شده است، ورودی های هوا در اطراف این چیلرها قرار گرفته اند و خروجی های هوا به صورت عمودی و موازی با فن های کندانسور هوا، در بالای چیلرها قرار گرفته اند. برای مقاصد تحلیلی، درجه حرارت هوای محیط 80 درجه فارنهایت (26.7 درجه سانتیگراد) در نظر گرفته می شود که شرایط طراحی 1% حباب خشک، تابستان داغ معمولی را برای شهرهایی همانند سان دیه گو، نشان می دهد.

جهات باد موازی و عمود بر ورودی های هوا (واقع شده در بعد طولی) چیلرها، در این تحلیل بررسی شده اند. جهات باد نسبت به جهت گیری چیلرها توسط پیکان هایی در شکل 1نمایش داده شده اند. این می تواند به عنوان جهت ورودی هوای چیلر نسبت به جهت باد غالب هم فرض شود. نمونه های پیش رو در طول این تحقیق بررسی شدند.

 این تحلیل ها به صورت سیستماتیک با تغییر یک پارامتر در هر دفعه، ترتیب داده شدند.

سه سرعت باد، 5 مایل در ساعت، 10 مایل در ساعت و 15 مایل در ساعت (8 کیلومتردرساعت، 16 کیلومتردرساعت و 24 کیلومتردرساعت) برای دو جهت باد درحالیکه فاصله بین چیلرها 12 فوت (3.7 متر) و فاصله از ساختمان مجاور 10 فوت (3متر) حفظ شدند، مورد بررسی قرار گرفته اند.

فاصله بین چیلرها درحالی که فاصله از ساختمان مجاور 10 فوت (3متر) و سرعت باد 10 مایل در ساعت (16 کیلومتردرساعت) و جهت باد موازی با ورودی هوای (در طول) چیلرها بود، بین 6 فوت (1.8متر)، 8فوت (2.4متر) و 12فوت (3.7متر) تغییر کردند.

فاصله چیلر از اجزاء ساختمان بین 5فوت (1.5متر)، 10فوت (3متر) و 15فوت (4.6متر) در حالیکه فاصله بین چیلرها به اندازه 12فوت (3.7متر)، سرعت باد به اندازه 10مایل درساعت (16کیلومتردرساعت) و جهت باد موازی ورودی های هوا (در جهت طولی)، ثابت نگه داشته شده بودند، تغییر کرد.

اثر سرعت باد

افزایش سرعت باد می تواند منجر به افزایش دمای هوای ورودی گردد، که می تواند به صورت بالقوه کیفیت بازدهی چیلرهای هواخنک را زیاد کند. شکل 2 توزیع دمای هوای ورودی و پراکندگی منتج در ستون خروجی از بالای چیلرهای هواخنک را نشان می دهد.

شکل 2 : اثر سرعت باد بر توزیع دمای ورودی هوای کندانسور در آرایش موازی

در حالتی که جهت باد موازی با ورودی های هوا است، چیلرها در طرف پشت به باد ساختمان، که منطقه فونداسیون (منطقه ای با فشار پائین) شکل گرفته است، قرار دارند. با افزایش سرعت باد، فشار منطقه فونداسیون زیاد می شود و حدود فضایی چنین منطقه فشار پائینی، در اطراف چیلر افزایش می یابد.

در نتیجه، با افزایش سرعت باد، ستون داغ بلند شده، از خمهای اگزاست فن رو به پائین می رود و به ورودی چیلرها وارد می شود. همانطور  که در شکل 2 نمایش داده شده است، در حالت سرعت باد کم، 5 مایل در ساعت (8 کیلومتردرساعت)، ستون داغ به صورت عمودی بالای چیلرها می رود. زمانی که سرعت باد از 5مایل در ساعت (8کیلومتردرساعت) به 15 مایل در ساعت (24کیلومتردرساعت) افزایش می یابد، ستون دود خروجی به خم شدن به سمت پائین تمایل می یابد و در حالتی که سرعت باد 15 مایل در ساعت (24کیلومتردرساعت) است، تقریباً به زمین می رسد.

اگرچه افزایش سرعت باد می تواند سرعت جریان هوای محیط را افزایش دهد، که این امر می تواند دمای زیاد گازهای خروجی را تعدیل کند، خمش گازهای داغ به سمت ورودهای هوای چیلر، اثرات رقیق بودن شرایط باد را تشدید می کند. در همه این حالات، دورترین چیلرها (چیلرهای 1 و 4) کمتر از چیلرهای درونی (چیلرهای 2 و 3) اثر می پذیرند. به همین ترتیب ورودی هوایی که در مرکز یک ردیف چیلر قرار دارند، بالاترین دمای هوای ورودی و احتمالا بیشترین تخریب عملکرد را نسبت به آنهایی که در انتهای ردیف قرار گرفته اند، نشان می دهند.

با افزایش سرعت باد، بالاترین دماهای ورودی به سمت کناره ساختمان تغییر موقعیت می دهند. این امر به این خاطر است که با افزایش سرعت باد، گازهای خروجی به حرکت به عقب، به سمت منطقه فشار پایین، گرایش دارند و به سمت ورودی های نزدیک تر به ساختمان کشیده می شوند.

اثر جهت گیری چیلر

وقتی که جهت باد، عمود بر ورودی های هوای چیلر ( طولی) است، افزایش در سرعت باد به افزایش در دمای هوای ورودی منجر می شود. (شکل 3) در این حال ورودی جلویی چیلر اول (چیلر 1) به طور مستقیم با باد ورودی مواجه شده و در نتیجه کمترین دمای هوای ورودی را تجربه می کند. در حالیکه چیلرهای دیگری که در منطقه فونداسیون چیلر اول واقع شده اند، دمای هوای ورودی بیشتری را تجربه می کنند.

شکل 3 : اثر سرعت باد بر توزیع دما در ورودی هوای کندانسور در آرایش عمودی

مشابه حالت پیشین در دمای باد کم، (5 مایل بر ساعت یا 8 کیلومتر بر ساعت) گاز گرم به صورت عمودی به سمت بالا حرکت می کند و با افزایش سرعت باد، گاز خروجی به سمت پایین خم می شود و تقریبا به زمین می رسد. برای تمامی سرعت های باد، ورودی هوای چیلرهای میانی (چیلرهای 2 و 3) به طور نسبی از آنهایی که در خارج قرار دارند (چیلرهای 1 و 4) دمای هوای ورودی بالاتری را تجربه می کنند. در حالیکه جریان گازهای خروجی داغ در جهت باد به حرکت در می آیند، گازهایی که در سمت چیلرهای مجاور بادگیر هستند، روی چیلرهای کناری حرکت می کنند. بنابراین، به سمت ورودی های چیلرهای پشت به باد کشیده می شوند.

همان گونه که در شکل 3 نشان داده شده است، اثر چنین حرکت آبشاری گازها، با افزایش سرعت باد برجسته تر می شود، که منجر به بالاتر رفتن دمای هوای ورودی می گردد، بالاخص برای آن ورودی های هوایی که در وسط هر ردیف قرار دارند (چیلرهای 2 و 3). زمانی که جهت باد عمود بر جهت طولی چیلرها است، هوای محیطی می تواند به راحتی  از انتهای عقب و جلوی کوریدورهای مابین چیلرها وارد شود. در نتیجه دمای توزیع در ورودی های چیلر، تقریبا متقارن است: دمای بالا در مرکز و دمای پایین در جلو  و عقب.

شکل 4 اثر سرعت باد و جهت باد بر میانگین دمای هوای ورودی چیلرها را نشان می دهد. این نمودارها بیشتر میانگین دمای هوای ورودی را نسبت به توزیع دما بر روی سطوح ورودی نشان می دهند.

شکل 4: اثر سرعت باد و آرایش چیلر ها بر توزیع دما

 دماهای هوای ورودی  بالاتر، نشانگر چرخش بیشتر گازهای داغ خروجی به سمت ورودی های هوای چیلر هستند و به صورت بالقوه منجر به تخریب عملکرد بالاتر می شوند. به خاطر اثر آبشاری کشش گاز داغ، میانگین دمای هوای ورودی ، زمانی که جهت باد عمود بر ورودی های هوا است، بیشتر خواهد بود.

برای هر دو جهت، افزایش سرعت باد میانگین دمای هوای ورودی را افزایش می دهد. اگرچه چنین افزایشی به صورت قابل توجهی، زمانی که سرعت باد به 15 مایل بر سرعت یا 24 کیلومتر بر ساعت می رسد و ورودی های هوا موازی جهت باد هستند، افزایش می یابد (شکل 4 قسمت A).

بالعکس، وقتی که ورودی های هوا عمود بر جهت باد قرار گرفته اند (شکل 4 قسمت B) میانگین هوای ورودی به تدریج با افزایش سرعت باد افزایش می یابد. در هر دو حالت چیلرهای داخلی 2 و 3 دمای هوای ورودی بالاتری را نسبت به چیلرهای خارجی 1 و 4 نشان می دهند.

اثر فاصله گذاری میان چیلرها

هرچه قدر فاصله میان چیلرها از 12 فوت یا 3.7 متر به 6 فوت یا 1.8 متر کاهش یابد، دمای هوای ورودی زیادتر خواهد شد. شکل 5 اثر فاصله گذاری میان چیلرها را بر توزیع دمای هوای ورودی چیلرها نشان می دهد. در حالت فاصله گذاری بیشتر (12 فوت یا 3.7 متر) هوای محیطی بیشتر از انتهایی که از ساختمان دورتر است، وارد کوریدورهای چیلر می شود تا سمتی که به ساختمان نزدیک تر است. این نشانگر مقاومت بیشتر هوا برای ورود از قسمت نزدیک به ساختمان است.

شکل 5: اثر فاصله بین چیلرها بر توزیع دما در ورودی چیلر

شکل 5a: اثر فاصله بین چیلرها بر پراکندگی گازهای داغ خروجی از کندانسور که نشان می دهد اگر فاصله کم باشد، گازهای داغ به هم نزدیک می شوند و مانع ورود هوا به ورودی کندانسور می گردند.

وقتی فاصله میان چیلرها کاهش می یابد، هوای محیطی نمی تواند به مرکز کوریدور چیلرها برسد، بنابراین گازهای خارجی داغ را به کشش به سمت ورودی های هوا ترغیب می کند. این مورد از دمای هوای بیشتر در بالای ورودی های چیلر همان گونه که در شکل 5 نشان داده شده است آشکار می باشد. به علاوه این موضوع در شکل 5a هم که دمای گازهای خروجی و چگونگی پراکندگی آن را در بالای چیلرها نشان می دهد، قابل مشاهده است.

وقتی که فاصله چیلرها 12 فوت یا 3.7 متر باشد، گازهای داغ خروجی از یکدیگر جدا شده و تمایل دارند که مستقیما به سمت بالا حرکت کنند. وقتی که فاصله کاهش می یابد، این گازها به یکدیگر نزدیک می شوند و به صورت عمیق تری وارد کوریدورهای چیلر می شوند. این موضوع از افزایش دمای درون کوریدورها دریافت می گردد (تصویر 5a).

اثر فاصله از ساختمان

 دمای هوای ورودی هرچه قدر که فاصله میان ساختمان و چیلرها کاهش پیدا کند، افزایش می یابد. شکل 6 اثر فاصله چیلرها از دیوار ساختمان بر روی توزیع دما در ورودی هوای چیلر را نشان می دهد. وقتی که چیلرها نزدیک تر به ساختمان قرار می گیرند، توزیع دما دورتر از منطقه فشار پایین کشیده می شوند. در نتیجه گازهای داغ خروجی از چیلرها به سمت ساختمان حرکت کرده و فاصله میان ساختمان و چیلر را با هوای داغ پر می کنند (شکل 6a).

شکل 6 : اثر فاصله چیلرها از دیوار ساختمان بر توزیع دما در هوای ورودی کندانسور

شکل 6a : اثر فاصله چیلرها از دیوار ساختمان بر توزیع دما در هوای ورودی کندانسور

شکل 7 : اثر A) فاصله بین چیلرها و B) فاصله چیلرها از دیوار بر میانگین دمای هوای ورودی به کندانسور

دور کردن چیلرها از ساختمان، فضایی برای ورود هوای محیطی از هر دو انتهای چیلر، ایجاد می کند و به کاهش دمای هوای ورودی کمک می کند.

شکل 7 نمایانگر اثر فاصله گذاری میان چیلرها و فاصله چیلرها از ساختمان، بر میانگین دمای هوای ورودی چیلرها می باشد. همانگونه که قبلا گفته شد، این نمودارها میانگین دمای هوای ورودی، به جای توزیع دمای هوا در سطوح ورودی و نیز میزان کشش گازهای داغ را نشان می دهد.

شکل 7a نشان می دهد که کاهش فاصله میان چیلرها ، میانگین دمای هوای ورودی را افزایش می دهد. کاهش فاصله میان چیلرها از 12 فوت یا 3.7 متر به 6 فوت یا 1.8 متر، منجر به بالارفتن میانگین دمای هوای ورودی از 6 درجه فارنهایت یا 3.3 درجه سانتیگراد به تقریبا 12 درجه فارنهایت یا 6.6 درجه سانتیگراد، می شود. وقتی فاصله چیلرها به 6 فوت یا 1.8 متر، کاهش می یابد، چیلرهای داخلی 2 و 3 ، افزایش قابل توجهی در میانگین دمای هوای ورودی را نشان می دهند.

شکل 7b  نمایش می دهد که دمای هوای ورودی با افزایش فاصله میان چیلر و ساختمان کم می گردد. به هر حال این بررسی مشخص می کند که اثر افزایش فاصله بر دمای هوای ورودی، بعد از فاصله 10 فوت یا 3 متر، اهمیت کمتری خواهد داشت. این بررسی ها برای سرعت باد 10 مایل بر ساعت یا 16 کیلومتر بر ساعت انجام شده اند. ممکن است که برای سرعتهای باد بیشتر این نتایج رویه متفاوتی را نشان دهند. مقایسه این دو نمودار مشخص می سازد که فاصله میان چیلرها اثر بیشتری نسبت به فاصله چیلرها از اجزای ساختمان، بر دمای هوای ورودی دارند.

خلاصه و نتیجه گیری

تحلیل CFD مجموعه ای از چیلرهای هوا خنک مجاور یک ساختمان 3 طبقه نشان می دهد که افزایش در سرعت باد ، گردش  گازهای خروجی بر ورودی چیلرها را افزایش خواهد داد، که خود منجر به دماهای ورودی بالاتری می گردد.

در بادهایی با سرعت پایین تر، گازهای خروجی تمایل دارند که به صورت عمودی  ( به سمت بالا) از چیلرها دور شوند. در حالی که با افزایش سرعت بادها این گازها می توانند به سمت پایین و به سوی ورودی های چیلر خم شوند که منجر به گردش مجدد بالاتری می گردد.

وقتی که ورودی های چیلر عمود بر جهت باد غالب هستند، گازهای خروجی از چیلرهای سمت بادگیر به چیلرهای پشت به بادی که در دنباله آنها قرار دارند، وارد می شوند. و این اثر آبشاری با افزایش سرعت باد برجسته تر می گردد.

این مطالعه به علاوه نشان می دهد که فاصله بین چیلرها اثر بیشتری جریان مجدد گازهای داغ خروجی نسبت به فاصله بین ساختمان و چیلرها دارند.  در شرایط واقعی، سرعتها و جهات باد غلب می توانند نقطه به نقطه تغییر کنند. همچنین سازه های اصلی و جانبی می توانند بر سرعت و جهت باد محلی اثر بگذارند. بنا براین حد گردش مجدد گازهای خروجی در هر شرایطی تغییر یابد. در چنین حالاتی ، بررسی های CFD می توانند دیدگاههای ارزشمندی را نسبت به بهینه سازی جدید، فاصله گذاری میان چیلرها و فاصله چیلرها از اجزای ساختمان، فراهم آورند.

بر اساس دیدگاههای برآمده از این مطالعه، قرار دادن ورودی های هوای چیلر به صورت موازی با جهت باد غالب، با حداقل 10 فوت یا 3 متر فاصله گذاری میان چیلرها و نیز حداقل 10 فوت یا 3 متر دورتر از دیوار ساختمان مجاور، می تواند گردش مجدد شدید گازهای خروجی به ورودی های هوای چیلر  و همچنین تخریب عملکرد بالقوه را کاهش دهند.

نوشته شده توسط: دکتر کیشور خانکاری، عضو انجمن اشری