‫پروژه مکانیک تهویه مطبوع و صنایع مرتبط به آن

پیشگفتار :

مهندسی مکانیک امروزه در برگیرنده طیف وسیعی از صنعت است که تهویه مطبوع یکی از شاخه های مهم آن می باشد .

پیشرفتهایی که تا کنون در تهویه مطبوع و صنایع مرتبط به آن ، مخصوصا در کشورهای مترقی و صنعتی حاصل شده ، بیش از پیش اهمیت بخش مهندسی مکانیک در حرارت و سیالات را نمایان ساخته است .

استفاده از سیستم هایی با هزینه نصب و راهبری پایین و مصرف انرژی کم و ارزان قیمت از جمله خواسته های اولیه کلیه استفاده کنندگان سیستم های تهویه مطبوع می باشد که سازندگان بزرگ این صنعت با استفاده از فن آوری های پیشرفته روز در تلاشند تا امکان تحقق هر چه بهتر این خواسته ها را فراهم آورند .

در کشور ما صنایع تهویه مطبوع قدمت زیادی ندارد ولی با وجود نوپا بودن این صعت پیشرفتهای چشمگیری در زمینه تولید دستگاه های حرارتی و برودتی و سیستم های مختلف هواساز و تهویه مطبوع داشته ایم .

تولید چیلرهای رفت و آمدی ( کمپرسوری ) یا دستگاههای تهویه مطبوع یک پارچه ( پکیج) در ایران گامی موثر در جهت جایگزینی سیستم های نوین تهویه مطبوع در صنعت بوده است و استفاده از روش هایی با تکنولوژی قدیمی مانند کولرآبی و گازی در مکان هایی مختلف نظیر برجها و ساختمانهای مسکونی و اداری و غیره را منسوج نموده است . با گذشت زمان  افزایش استفاده از این نوع دستگاهها و با توجه به مصرف برق بالای آن از یک طرف و گران بودن هزینه برق در کشور ما از طرف دیگر ، انتخاب این سیستم برای مصرف کنندگان تا حدود زیادی مقرون به صرفه نبوده و در مکان های مختلف که این سیستم را برای تهویه مطبوع برگزیده اند، مهندسین مجبور به تجدید نظر و انتخاب راهکارهای دیگری برای تغییر سیستم شده اند .

مایع مبرد در چیلرهای رفت و  آمدی (کمپرسوری) که با کندانسورهایی هوایی یا آبی کار می کنند از نوع گازهای فریون CFC یا HCFC می باشد .

اثر تخریبی گازهای HCFC, CFC بر لایه ازن در سال 1985 توسط دانشمندان رسما اعلام گردید و این امر محققین را به تلاش در جهت یافتن ماده جایگزین مناسب واداشت و با استفاده از محلول لیتیوم برماید در سیستم های جذبی این نگرانی تا حدود زیاد برطرف شد .

بهره بردن از دانش روز برای همگان امری اجتناب ناپذیر است لذا این امر خطیر وظیفه مهندسین و تکنسین های کشور ماست تا با مطالعه انواع انرژی های در دسترس، هزینه استفاده از سیستم های تهویه مطبوع را تا حد امکان پایین آورده و استفاده از منابع جدید را جایگزین سیستم های قدیمی کنند . با توجه به کثرت گاز طبیعی در کشور ما و از طرفی هزینه بالای تولید برق با امکانات محدود از قبیل نیروگاههای حرارتی با سوخت فسیلی و غیره استفاده از چیلرهای جذب حرارت مستقیم بهترین راهکار موجود برای از بین بردن مشکلات ناشی از مصرف بالای انرژی الکتریکی می باشد .

تکنولوژی جدید این نوع سیستم ها با مصرف برق بسیار ناچیز در مقایسه با چیلرهای معمولی (کمپرسوری) و استفاده از گاز طبیعی بعنوان سوخت که در کشور ما ارزان تر و فراوانتر می باشد و نیز عدم نیاز به بویلر جداگانه و حذف خود به خودی قسمتی از لوله کشی و شیرهای لازم جهت انتقال بخار از مزایای مهم این نوع چیلرها می باشد .

با توجه به این که امروزه انبوه سازی مسکن یکی از راههای پیشنهادی مناسب برای کاهش مشکلات موجود در زمینه شهرسازی می باشد، استفاده از تجربه کشورهای پیشرفته و موفقی نظیر ژاپن، در این مورد که در طول سالهای اخیر  این نوع سیستم را جایگزین انواع دیگر ساخته اند ، می تواند راهگشای متخصصین ما در حل مشکلات موجود باشد . در کشور ژاپن کارخانجات عظیم ابارا که سالهاست تحت لیسانس شرکت کریر آمریکا به تولید چیلرهای جذبی اشتغال دارد ، اخیرا در زمینه چیلرهای معمولی و حرارت مستقیم به پیشرفتهای قابل ملاحظه ای دست یافته است . بطوریکه در حال حاضر کمپانی مذکور یکی از بزرگترین و معتبرترین سازندگان این دستگاهها در جهان می باشد .

مونتاژ این نوع چیلر با توجه به تکنولوژی بالا و مزایای آن بی شک گامی در جهت پیشرفت صنایع تهویه مطبوع کشور و مدرنیزه کردن آن می باشد.

لذا با توجه به مطالب فوق و لزوم افزایش آگاهی مهندسین و متخصصین کشور و به خصوص دانشجویان و فراهم آوردن زمینه تحقیق و بررسی بیشتر در زمینه استفاده از انرژی کمتر و ارزانتر برخورد لازم دانستم در جهت معرفی این نوع چیلرها و مزایا و عملکرد و دیگر مشخصه های آن گامی هر چند کوچک و ناچیز بردارم و دست اندرکاران این صنعت را به بررسی و مطالعه در این باره فراخوانم.

تردیدی نیست رساله ای که پیش روی شماست خالی از اشکال و ایراد نیست . امیدوارم اساتید محترم و دانشجویان عزیز با عنایت و بزرگواری از این اشتباهات که مسلما ناشی از کمی تجربه در این زمینه است در گذرندو با تحقیقات و مطالعات بیشتر خود در این زمینه موجبات پیشرفت این صنعت را در کشور فراهم آورند .

تاریخچه تبرید :

در کتابهای چین قدیم از چگونگی نگهداری یخ مطالبی بدست آمده است که تبرید را به عنوان یک حرفه شناخته شده در هزاران سال قبل معرفی می کند. همچنین گفته اند که روسها و یونانیها برف فشرده را در انبارها نگهداری و در فصول گرم از آن استفاده می کردند . هندیها و مصریها و ایرانیان قدیم نیز با پر کردن ظروف سفالی از آب و نگهداری آن در محفظه های مخصوص ، آب سرد و یخ تهیه می کردند .

اما حمل قطعات یخ بوسیله کشتی و نگهداری آن در انبارها که بین سالهای 1810 الی 1850 میلادی رواج پیدا کرد و استفاده از برودت را در سطح وسیعی گسترش داد، بعنوان تاریخ پیدایش تبرید ثبت شده است . در همین سالها شخصی بنام «تئودر» با ساختن یک سردخانه که از خاک اره بجای عایق استفاده کرده بود قدم موثری جهت حمل و نگهداری یخ برداشت حمل یخ به نقاط مختلف دنیا و استفاده از آن بتدریج عادات و زندگی مردم را تغییر داد تا اینکه در سال 1880 کارخانه یخ مصنوعی برای رفع نیاز مردم به بازار آمد .

اولین ماشین تبرید که با دست کار می کرد در سال 1834 در انگلستان ساخته شد . در سال 1851 یک مخترع آمریکایی ماشین یخ سازی خود را که از هوا بجای مبرد استفاده می شد عرضه کرد و در سال 1860 نیز اولین ماشین اترسولفوریک برای ایجاد تبرید در استرالیا ساخته شد که در صنایع نوشابه سازی مورد استفاده قرار می گرفت .

در اوائل سال 1890 تبرید مصنوعی رواج یافت و سیستم های مختلف تبرید از جمله سیستم تبرید مکانیکی ( تراکمی ) عمومیت یافت و سیستم تبرید جذبی نیز در کشورهای مختلف پا به عرصه وجود گذاشت . در اوایل قرن نوزدهم کمپرسورهای سیستم های تراکمی هنوز با بخار کار می کردند و سرعت آنها در حدود 50 دور در دقیقه بود در سال 1903 انجمن ماشین آلات تبرید و در سال 1904 انجمن مهندسین و متخصصین تبرید بوجود آمد .

در سال 1905 که کمپرسور دو زمانه به ثبت رسید تا سال 1911 که تکمیل گردید، سرعت آن از 100 به 300 دور در دقیقه افزوده شد و در سال 1915 اولین کمپرسور مدرن دو زمانه شناخته شد و تا سال 1940 بخوبی از آن استفاده می شد و در همین سالها بود که تولیدات صنایع تبرید و تهویه مطبوع به نقطه اوج خود رسید و دستگاههای تبرید صنعتی و خانگی به میزان قابل توجهی تولید گردید .

تا سال 1960 که خراب نشدن غذاها در اثر انجماد به ثبوت رسید ، تسهیلات و تغییراتی در ساختمان سردخانه ها بوجود آمد . در سالهای اخیر نیز پیشرفتهای فراوانی در صنعت تبرید حاصل گردیده که تاثیر مستقیم آنها بر زندگی انسانها کاملا مشهود است .

موارد استفاده از تبرید:

زمانی از صنعت تبرید فقط برای تهیه یخ استفاده می شد ولی امروزه برای تهیه و نگهداری مواد غذایی بطور موثر و در عملیات صنعتی و تهویه مطبوع برای خنک سازی در سطح وسیعی از تبرید استفاده می شود . کاربرد تبرید در رشته های مختلف صنعتی و زندگی موجودات زیاد بوده ولی بطور خلاصه می توان آنها را به چهار دسته تقسیم کرد :

1- در تهیه و نگهداری مواد غذایی

2- در صنایع شیمیایی

3- در دستگاههای سرد کننده خانگی و مخصوص

4- در تهویه مطبوع و تهویه صنعتی

با توجه به اهمیت تهویه مطبوع و تهویه صنعتی و نیاز این صنعت به چیلر در این مورد بیشتر توضیح داده می شود.

بررسی چیلر ها :

تا حدود 30 سال پیش انتخاب چیلرها کار ساده ای بود و نتایج مربوطه تقریبا قابل پیش بینی بودند و در اکثر موارد انتخاب چیلر به دو نوع رفت و آمدی ( کمپرسوری ) و یا چیلرسانتریفوژ محدود می گردید که با کندانسور هوایی یا آبی کار می کردند . مایع مبرد هر دو نوع چیلر از گازهای فریون CFC و یا HCFC می باشند، در موارد خاصی نیز از چیلر چرخ دنده ای و یا چیلرهای جذبی استفاده می گردید. ولی در دهه 70 ( 1970 میلادی) اتفاقاتی رخ داد که تحول عظیمی در بازار چیلر بوقوع پیوست و انتخاب چیلر را برای طراحان سیستم های تهویه مطبوع مشکلتر نمود.

اولین واقعه بالا رفتن شدید و مداوم قیمت برق بود. دو برابر شدن و حتی چند برابر شدن قیمت نفت در جهان باعث گردید که اکثر دولتهای اروپایی و آمریکایی و ژاپن قیمت برق را منتاسبا افزایش دهند .

نتیجه مستقیم این اقدام، بالا رفتن سرمایه گذاری اولیه و هزینه های نگهداری تاسیسات تهویه مطبوع بود که باعث محدود شدن ساعات کار این سیستم ها و در بعضی از موارد منجر به تغییر و تعویض کلی این تاسیسات گردید .

وارد شدن عامل « هزینه انرژی » و عدم اطمینان از مقدار  آن در آینده ، محاسبات اقتصادی انتخاب چیلر را برای طراحان سیستم های تهویه مطبوع مشکل نمود. علاوه بر عامل انرژی ، اثر گازهای HCFC, CFC بر تخریب لایه ازن ، اگر چه از سال 1976 بطور مشکوک توسط دانشمندان عنوان شده بود، در سال 1985 بطور رسمی و غیرقابل انکار اعلام و آینده سیستم های تهویه مطبوع جزو یکی از داغ ترین بحث های روز گردید . حالا دیگر طراحان علاوه بر پارامترهای اقتصادی هزینه برق می بایست در انتخاب مایع مبرد چیلرها نیز تحقیق نموده و عواقب آتی استفاده از انواع مبردها را در انتخاب چیلر ملحوظ بدارند.

تعریف تبرید و تهویه مطبوع :

تعریف تبرید:

از نظر لغوی تبرید به معنی ایجاد محیطی سردتر از محیط اطراف است. تعاریفی که بعضی از دانشمندان برای تبرید ارائه داده اند، در ذیل می آید:

 N.R.Sparks تبرید را به صورت زیر تعریف می کند:

خارج کردن گرما به نحوی که در یک جسم یا در یم حجم دمائی کمتر از آنچه در شرایط عادی می داشت به وجود آید . یا آن طور که ASRE تبرید را تعریف می کنند:

تبرید ، علم ایجاد یا حفظ دماهایی کمتر از دمای محیط کمتر از شرایط موردنظر ما باشد، باید عمل گرمایش صورت گیرد . وسیله ای که عمل گرمایش را انجام می دهد ، پمپ حرارتی نام دارد. تفاوت اصلی ما بین سیستم تبرید و پمپ حرارتی را می توان اینگونه توضیح داد که سیستم تبرید حرارت را محیط سیستم پمپ می کند .

تعریف تهویه مطبوع:

در حالت کلی تهویه مطبوع به صورت زیر تعریف می شود :

کنترل همزمان دما ، رطوبت ، پاکی و سرعت هوا ، بسته به نیاز ، تهویه مطبوع به دو شاخه تقسیم می شود که عبارتند از : تهویه مطبوع تابستانی و تهویه مطبوع زمستانی ، در سیستم تهویه مطبوع تابستانی ، رطوبت گیر استفاده می شود . در حالیکه در سیستم تهویه مطبوع زمستانی از یک پمپ حرارتی و یک رطوبت زن استفاده می شود .

علاوه بر تقسیم بندی فوق می توان تهویه مطبوع را به دو شاخه تهویه مطبوع صنعتی و تهویه مطبوع غیرصنعتی تقسیم نمود . در تهویه مطبوع غیر صنعتی آسایش انسان ها مطرح است که در آن باید کنترل سر و صدا را مد نظر قرار داد . در حالیکه در تهویه مطبوع صنعتی هدف ایجاد محیطی مناسب برای محصولات صنعتی،  آزمایشگاهها ، لابراتورهای صنعتی ، کارخانجات تولید ابزارهای دقیق صنعتی ، کارهای چاپی ، عکاسی ، سردخانه ها و داروخانه ها، کامپیوترها ، سدها وغیره می باشد.

لزوم استفاده از سیستم های تبرید و تهویه مطبوع :

برای زندگی و کار عادی انسانها باید مقادیر کافی ویتامین، پروتئین ، هیدروکربنها، نمکها و غیره در بدن موجود باشد که ممکن است این مواد از طریق رژیمهای غذایی مناسب و یا از طریق یک رژیم متناسب از قرص ها و کپسول هایی که چنین موادی را در خود داشته باشند به بدن برسند برای اشخاصی که از سلامتی کامل برخوردار نباشند، استفاده از قرص ها تجویز می شود تا کمک کند که سیستم سوخت  و ساز بدن او به حالت اولیه و عادی خود باز گردد . ولی معمولا مردم سالم ترجیح می دهند که این مواد را از طریق مواد غذایی به دست آورند تا هم مواد لازم به بدن برسد و هم از خوردن غذا لذتی برده باشند.ولی برای این کار لازم می باشد که بعضی غذاها تا مدتی نگهداری شود و سپس مورد مصرف قرار گیرد . زیرا در بعضی مواقع سال برخی از مواد غذایی به طور طبیعی در دسترس نمی باشد مثلا بعضی میوه ها هستند که تنها در طول تابستان به بار می آید ولی تقاضا برای مصرف آنها در تمام طول سال وجود دارد از این رو باید به طور مصنوعی محیطی ایجاد شود که در آن حداقل اتلاف برای این مواد غذایی موجود باشد لازمه ایجاد چین محلی ایجاد تبرید مصنوعی برای استفاده در سیستم های تهویه مطبوع صنعتی است. یکی از موارد دیگر که در آن استفاده از تهویه مطبوع و تبرید الزامی است وسایل علمی خاصی هستند که برای کسب نتیجه مناسب می بایست در شرایط آب و هوایی محیط کار می تواند تاثیر زیادی بر راندمان کاری کارگران داشته باشد . چنانچه محیط کاری نامناسب باشد بخصوص اگر خیلی گرم باشد، کارگران زود خسته می شوند و قدرت تولیدی آنها به شدت کاهش می یابد.

بنابراین می توان تنها با معکوس کردن جهت کار دستگاه یک سیستم تبرید را تبدیل به یک پمپ حرارتی نمود.