اواپراتور چیست؟ | عملکرد، انواع و کاربرد در صنایع غذایی و برودتی
اواپراتور، وظیفه مهم جذب گرما از فضا و محیط اطراف را بر عهده دارد. بنابراین میتوان عنوان داشت که نوعی مبدل حرارتی بوده و به آنها تبخیر کننده نیز گفته میشود. انواع اواپراتورها در دستگاهها و تجهیزات تبریدی به جهت تبدیل مایع به گاز استفاده میشوند. مبردهای مایع در داخلEvaporator ها به منظور حذف گرما از سیالهایی مانند:
- هوا (سیستمهای تهویه ای)،
- آب (سیستمهای یخساز و سردخانههای صنعتی)
و…، تبخیر شده و مشخصاَ تغییر حالت میدهند. اینگونه تجهیزات در اشکال، انواع و مدلهای متنوعی طراحی میشوند تا با نیازها و دستگاههای مختلف مطابقت داشته باشند. هدف کلی و اساسی در انواع تجهیزات تبریدی همانند یک کولر گازی یا یخچال، خنک سازی است. اواپراتورها با انجام فرآیندهایی از جمله جذب گرما، حرارت و تبخیر در به ثمر رساندن این اهداف، نقش مهمی را ایفا میکنند. فلذا ابتدا سیالهای مبرد، به حالت مایع وارد اواپراتورها میشوند. سپس با انجام فرآیندهای تبخیر، به صورت گاز در سیستم (تجهیزات خنک کننده) به گردش درمیآیند. این قطعات در فراهم آوردن شرایط تونل انجماد دستگاههای یخساز صنعتی نیز نقش ویژهای را ایفا میکنند.
اواپراتور چیست؟
یک نوع مبدل حرارتی است که در آن یک سیال مایع وارد کویل ها شده و چون فشار پایینی دارد، با جذب کمترین حرارت از سیال اطراف لوله ها که می تواند گازی مانند هوا و یا مایعی مانند آب و … باشد، به نقطه جوش خود رسیده و تبخیر می گردد و بدین ترتیب از حالت مایع به حالت گاز تغییر فاز می دهد.
اواپراتور به مفهوم تبخیر کننده جایی است که مایع سیال با عبور از آن، از حالت مایع به حالت گاز تغییر فاز میدهد؛ این عملیات با گرماگیری از سیال انجام می شود. این قطعه در بسیاری از صنایع در دستگاه های مختلف مورد استفاده قرار می گیرد.
تفاوت اواپراتور و کندانسور
در رابطه با مهمترین و عمده ترین تفاوت میان آنها میتوان گفت که:
قطعات کندانسور گرما را آزاد می نمایند و در مقابل یک اوپراتور، به جذب گرما و حرارت شناخته می شود. همچنین اینکه در اواپراتور، سیال مایع به گاز تبدیل میشود و این مسئله در کندانسورها برعکس است!.
مجموعاَ هر دو قطعه، بخش مهمی از یک سیستم خنک کننده هستند. بطوریکه فرآیند خنک سازی وابسته به کندانسور، کمپرسور و اواپراتور و مکانیسم ترکیبی آنها است. اما میان نحوه تبادل حرارت و عملکرد آنها، تفاوت وجود دارد. نقش کندانسور در فرآیند خنکسازی به این گونه است که مبرد گازی را با استفاده از تکنیکها و روشهای خاص، به مایعی متراکم تبدیل میکند. بهعبارت ساده، اواپراتورها و کندانسورها را میتوان اینگونه تعریف کرد که قطعاتی برای امکانپذیرسازی تبادل گرما هستند؛ تا به وسیله آنها، عملیات خنکسازی انجام گیرد.
کندانسور برای متراکم کردن سیالی کار می کند که باعث اتلاف حرارت میشود. بنابراین در نهایت تغییر حالت رخ می دهد. اما با کمک یک اواپراتور، سیال مبرد مایع به حالت گاز تبدیل شده و یا اصطلاحاَ «تبخیر» می شود. برای جذب گرمای محیط و تبدیل مایع به حالت گاز، اواپراتورها نقش مهمی دارند. درنتیجه پرواضح است که میان نحوه تبادل حرارت و یا ساز و کار آنها، تفاوتهای فاحشی وجود دارد.
پیشتر نیز عنوان نمودیم که: اوپراتورها بر عکس کندانسور عمل می نمایند. یعنی مایع مبرد را به حالت گاز تبدیل می کنند. درون تجهیزات تبریدی شاخصی از جمله یخچال صنعتی و معمولی، سردخانه صنعتی، انواع یخسازها و…، کندانسورها برای خنک کردن گاز مبرد فشرده استفاده می شوند. اوپراتورها نیز در همان سیستمها با:
- استخراج کردن گرما و حرارت از یک ماده
- و به نوعی ایجاد شرایط تونل انجماد (در یخسازهای حرفه ای)،
شرایط خنک کنندگی و عملکرد صحیح دستگاه و تجهیزات را تضمین می کنند.
نحوه عملکرد اواپراتور
پس از اتمام گردش و فعالیت سیال مبرد در کندانسور، مبرد از این قطعه خارج می شود و وارد شیر انبساط می گردد. جالب است بدانید که شیرهای انبساط نیز در کاهش دمای مبرد نقش دارند و کمتر به انها پرداخته شده است. درادامه مبرد وارد اواپراتور می شود. پس از وارد شدن سیال تبریدی به اواپراتور، فرآیند تبخیر صورت می گیرد. انجام این فرآیند باعث می شود سیال تبریدی، گرمای آب موجود در اواپراتورها را به خودش جذب نماید؛ و مجددا مبرد به سمت کمپرسور بر می گردد. ممکن است در ذهن شما سوالی به وجود آید که:
«مبرد و آب یک سیکل بسته هستند و هیچ ارتباطی با هم ندارند. بنابراین چگونه فرآیند خنک سازی اتفاق می افتد و از دمای آب کاسته می شود؟!. درپاسخ باید بگوییم که:
مبردها برای بخار شدن نیاز به گرما دارند و این گرما را از آبی که درون اواپراتور است، دریافت می کنند. زمانی که مبردها از شیر انبساط عبور می کنند، این سیالات از حالت مایع به شکل قطرات ریز و یا به حالت پودری در می آیند. همچنین می توانند به صورت بخار مانند نیز باشند (که اکثرا نیز همین اتفاق میافتد).
تمایل حداکثری این سیالات تبریدی به بخار شدن (یا همان فرآیند تبخیر) در اواپراتور صورت می گیرد. عواملی نظیر:
- اختلاف دما،
- نوع سیالات و
- افت فشار،
از مهمترین فاکتورهای موثر در نحوه عملکرد اواپراتورها بشمار میروند.
دلیل تبخیر در اواپراتورها
در حقیقت اواپراتور یا همان تبخیر کننده (Evaporator)، اصل فرآیند سرد کردن را تضمین میکند. ورود ماده مبرد از شیر انبساط یا لوله مویین به محفظه اواپراتور، به صورت پودری و با فشار کم صورت میپذیرد. ماده مبرد پودر شده، در این حالت آماده تبخیر است. از آنجایی که تبخیر فرآیندی گرما گیر است، مایع مبرد قادر است تا گرمای موجود در فضایی که قصد سرد کردن آن را داریم را به خود جذب کند. در نتیجه نهایتاَ خود به حالت بخار تبدیل می شود.
علل یخ زدگی اواپراتور
گاهاَ ممکن است سیستم تهویه مطبوع، جریان هوا را به طور صحیح از روی اواپراتور عبور ندهد. درنتیجه تبادل گرما اتفاق نمی افتد و گرمای محیط به خوبی جذب نمیگردد. زیرا با گذشت زمان، حجم مبرد کاهش یافته و اواپراتور سیستم، دچار یخ زدگی می شود. بطور مثال:
- از اواپراتورها در کولرهای گازی استفاده می شود. بدلیل حجم بالای ورود گرد و غبار به این تجهیزات تبریدی، ممکن است فیلترها کثیف یا دچار انسداد شوند. هنگامی که فیلتر اواپراتور کثیف شده باشد، هوا درون این قطعات جریان پیدا نمیکند. لذا سطح کویلهای نگهدارنده مبردها دچار یخ زدگی می گردد و بطور کلی فرآیندهای انتقالی با اختلال مواجه می شود!!. (در این حالت، تبادل حرارتی با هوا بسیار کم است)
- زمانی که مبرد کمتر از حد متعارف شارژ شده باشد، میتواند دلیل دیگری برای یخ زدگی اواپراتورها باشد. ورود این سیالات تبریدی به اواپراتور، گاهاَ به صورت اسپری شدن است. بنابراین درجه تبخیر شدن آنها، عامل مهمی در یخ زدگی این قطعات می باشد.
- سومین مورد، مربوط به نقص فنی دستگاه است و البته به ندرت پیش می آید. ممکن است پنل دستگاه را خاموش نمایید؛ اما کمپرسور همچنان در حال کار باشد. لذا کمپرسور در حال کار، قادر است مبرد را داخل پنل بچرخاند و رطوبت ایجاد شده بر روی سطح آنها (در طی همین فرآیند چرخش) شروع به یخ زدن می کند. معمولاَ در چنین شرایطی، باید برد این قطعات تعمیر گردد.
دریک نگاه کلی، از مهم ترین دلایل و علل شایع یخزدگی اواپراتور، می توان به موارد زیر اشاره نمود:
- کثیف بودن فیلترها
- افت گاز مبرد در داخل سیکل
- خرابی موتور فن
- مناسب نبودن ابعاد کانال کشی
- خرابی قطعاتی چون برد فرمان، سنسور بیرونی، شیر انبساط و…
- لوله کشی نامناسب؛ مانند مدل لوله کشی دو پهنی.
طبقه بندی انواع اواپراتور
انواع اواپراتور را می توان با توجه به ویژگیهای برنامه پذیری و عملکرد در تجهیزات برودتی آشپزخانه صنعتی، به سه گروه اصلی تقسیم کرد:
- اواپراتورهای صفحهای
- اواپراتور پوسته-لولهای
- Evaporator فن دار.
اواپراتورهای فن دار
اواپراتورهای هوایی یا خشک، گونه ای از این تجهیزات سرماساز هستند که با نام اواپراتور فن دار نیز شناخته می شوند. آنها به گونهای عمل میکنند که ابتدا سیال باید از لولههای پر پیچ و خمشان عبور کند. بدین طریق از اطراف لوله، هوا به وسیله فنها جریان خواهد یافت. در واقع علت نامگذاری این تجهیزات به صورت هوایی یا فن دار و خشک، همین نوع عملکرد آنهاست. اواپراتورهای مورد نظر، سیال را به کمک حرارت هوا به شکل گاز تغییر می دهند و هم زمان با انجام این فرآیند، هوا نیز خنک می گردد. اصلی ترین مزایای اواپراتور فن دار عبارتست از:
- هزینههای پایین ساخت و نگهداری
- نیاز به حساسیت نگهداری پایین،
- اشغال فضای کم
- ساختار منسجم
ذکر این نکته حائز اهمیت است که حتی از لحاظ بهداشتی و ایمنی نیز، این دستگاهها خطرات و ضرر و زیانی به همراه نخواهند داشت.
اواپراتور صفحه ای
بخش گرما گیر یا سرد کننده یک سیستم برودتی، اواپراتور یا تبخیر کننده نامیده می شود. اواپراتورها دارای انواع مختلفی هستند که از جملهی محبوبترین و پرکاربرد ترین آنها میتوان به اواپراتور پوسته – لوله و صفحه ای اشاره نمود.
نوع صفحه ای اواپراتورها، دارای شیارهایی در صفحات متعدد خود هستند. صفحاتی که به یکدیگر جوش داده شده و به لحاظ استحکام، وضعیت کاملاَ مطلوبی دارند. لذا سطح تماس گسترده ای میان سیال اولیه و ثانویه (مثلاَ آب و مبرد) ایجاد می شود. بهدلیل کیفیات عملکردی این نوع ایجاد سطح تماس (سیالهای اولیه و ثانویه)، اواپراتورهای صفحه ای نسبت به:
- جرم و
- اندازه خود،
دارای بازده نسبتا زیادی هستند. تبادل حرارت در این نوع اواپراتورها تا چند برابر سایر مدلها می باشد. مدلهای تبخیر کننده صفحه ای دارای مزایای قابل توجهی نظیر:
- گاز مصرفی کم تر،
- تعمیر و نگهداری آسان و کم هزینه،
- راندمان عملکردی چشمگیر،
- مکانیزم کارکردی ساده تر و…
هستند. مزایایی که از دید بسیاری از کارفرمایان، اواپراتورهای صفحه ای را متمایزتر از سایرین نموده است. مهمترین کاربرد این تجهیزات مربوط به صنایع غذایی و چیلرها، صنعت داروسازی و… می باشد. یک مدل از اواپراتورهای صفحه ای بنام پیلو پلیت دارای بالاترین کارایی در بین تمامی اوپراتورهاست که در صفحه ای مجزا به تشریح آن خواهیم پرداخت.
اواپراتور پوسته لوله ای
اواپراتورهای پوسته لوله همانطور که از نامشان پیداست، از اجزایی همچون:
- یک پوسته،
- بافل،
- تیوب شیت و
- لولههای مسی (که درون این پوسته قرار دارند)،
تشکیل میشوند. معمولاً از درون لولهها، سیال مبرد و از درون پوسته، آب گذر میکند. اینگونه با در کنار هم قرار گرفتن این دو سیال، مبرد گرما را از آب درون پوسته گرفته و تبخیر میشود و باعث خنک شدن آب می گردد. بنابراین به جرئت میتوان گفت که اواپراتور پوسته لوله ای، سادهترین مکانیزم خنکسازی را در میان همتایان خود دارد.
بلحاظ صنعتی، کاربردهای تبخیر کنندههای پوسته لوله ای بسیار ویژه است. این اواپراتورها در صنعت تهویه کاربرد گسترده ای دارند. ضمن اینکه در تجهیزاتی مثل چیلرها و سایر دستگاههای تهویه و خنکساز، به عنوان مبدل استفاده میشوند. صنایع غذایی کشور، از دیگر مشتریانEvaporator پوسته لوله، محسوب میشوند. بطوریکه کارفرمایان از این نوع اواپراتور، در صنایع غذایی برای ایجاد غلظت در محصولات استفاده میکنند.
یعنی برای تغلیظ فرآوردهها، آب اضافی آنها را بوسیله اواپراتورها تبخیر میکنند. گاهاَ نیز در صنایع شیمیایی از تبخیرکنندهها، بمنظور جداسازی مواد شیمیایی از هم، بهره میبرند. عملیاتی که با استفاده از تکنیک تبخیر صورت میپذیرد. رطوبت محصولات در صنایع داروسازی نیز با استفاده از اواپراتورها گرفته میشود.
نقش اواپراتورها در چیلر
اواپراتورهایی که در چیلرها استفاده می شوند، تحت عنوان اواپراتور دو لوله ای تولید می شوند. مدلهایی که دارای دو لوله هستند و این دو پایپ، به شکل مرکز به مرکز همدیگر قرار گرفتهاند. از درون یکی از این لولهها آب عبور می کند و مبرد در لولههای پیرامونی قرار گرفته است. نکته مهم اینجاست که جریان ورود آب و مبرد به صورت معکوس است. یعنی محلی که آب وارد می شود، خروجی مبرد به شکل گاز است و بالعکس.
هنگامی که آب می خواهد خارج شود، مبرد به شکل مایع، درون مبدل ما اسپری میشود. بدین صورت آبی که از داخل مبدل خارج می گردد، بیشترین گرمای ممکن را از دست میدهد؛ فلذا امکان استخراج آب خنک تری از داخل آن، فراهم میشود. همانطور که اشاره شد، تمام مبدلهای تبخیرکننده، اعم از:
- اواپراتور پوسته لوله ای،
- گونههای صفحه ای و دو لوله ای،
- فن دار و…،
هنگامی که در دستگاه چیلر هوا خنک قرار می گیرند، حتما در زمستان باید آب آنها خالی شود. مگر در صنایعی که به طور مداوم نیاز به خنک کاری داشته باشند. بعنوان مثال خطوط تولید کارخانجات تولید پلاستیک در تابستان و زمستان، بطور مستمر نیاز به خنک کاری دارند. بنابراین در اینگونه صنایع به لحاظ اینکه ما در تمام فصل به خنککاری نیاز داریم، خالی نمودن آب Evaporator الزامی ندارد. البته معمولا الکل یا محصولات ضد یخ زدگی به این قطعات اضافه می شود تا از هرگونه یخ زدن آب در فصول سرد سال جلوگیری شود.
مواد ضدیخ و شیمیایی باید در مقدار معینی به آب این تجهیزات، اضافه شوند. زیرا اضافهسازی بیش از حد مواد شیمیایی، موجب آسیب به عملکرد اواپراتورها خواهد شد!