در کویل ­های انبساط مستقیم (DX) مانند کویل ­های سرمایش به کار رفته در هواسازها، پنل داخلی کولرهای گازی اسپلیت و ...، مبردهایی مانند R-22 و R-134a به صورت مستقیم درون لوله­ ها تبخیر و منبسط می ­شوند تا هوای محیط را خنک و رطوبت ­زدایی نمایند. در این روش تبرید، مبرد وارد یک توزیع­ کننده (Distributor) شده و به صورت یکنواخت بر روی لوله­ های مسی توزیع می­ گردد. تراکم پره­ ها معمولاً در حدود 12 تا 18 پره در هر اینچ طول است. و عمدتاً کویل ­های انبساط مستقیم (DX) به صورت چهار ردیفه مورد استفاده قرار می­ گیرند. گاهاً در سطح داخلی لوله ­های مسی، میکروفین ­ها (Microfins) با تراکم حدود 60پره در هر اینچ و ارتفاع 0.008 اینچ و به منظور بالا بردن راندمان انتقال حرارت تعبیه می ­شوند.

آرایش جریان هوا و مبرد در کویل­ های انبساط مستقیم (DX) اغلب به صورت ترکیبی از جریان ناهمسو (Counter Flow) و متقاطع (Cross Flow) است و هدر تخلیه (Discharge Header) معمولاً در سمت ورودی هوا قرار دارد. توزیع مبرد و قرارگیری آن بر روی مدارهای مختلف در تعیین عملکرد کویل ­ها حیاتی است. در کویل ­های انبساط مستقیم (DX) بخار مبرد تبخیر شده حدود 10 تا 20 درجه فارنهایت فوق اشباع می ­شود تا از هرگونه جاری شدن مایع مبرد در کمپرسورهای رفت و برگشتی و آسیب زدن به آن­ ها ممانعت به عمل آید. در نهایت، بخار مبرد از طریق هدر وارد لوله مکش (Suction Line) می ­گردد.

در واقع کویل ­های انبساط مستقیم (DX) به هدف دستیابی به حداکثر راندمان انتقال حرارت در فرآیند تبرید طراحی شده ­اند. به کویل ­های انبساط مستقیم (DX) کویل­ های اواپراتور (Evaporator Coils) نیز اطلاق می ­شود. این کویل ­ها در ساختار اواپراتور (Cooling Coil) و کندانسور (Heating Coil) قابل استفاده هستند. در مقایسه با سیستم ­های آب خنک، در یک سیستم مجهز به کویل ­های انبساط مستقیم (DX) جریان هوای عبوری بر روی کویل ­های انبساط مستقیم (DX)، به واسطه انبساط مبرد جاری در کویل ­ها به صورت مستقیم و بدون استفاده از آب خنک می ­گردد.

کویل انبساط مستقیم

شکل1- کویل ­های انبساط مستقیم (DX)

 

نحوه عملکرد و کاربرد کویل­ های انبساط مستقیم (DX)

در سیستم­ های مجهز به کویل ­های انبساط مستقیم (DX) ، هوا به واسطه مبرد در حال گذر از لوله های کویل­ های سرمایشی پره­ دار خنک می گردد. تصویر زیر نمای مفهومی یک سیستم تهویه مطبوع با کویل­ های انبساط مستقیم (DX) را نمایش می­ دهد.

ساختار سیستم تهویه مطبوع

شکل 2- نمای مفهومی از سیستم­ های تهویه مطبوع مجهز به کویل ­های انبساط مستقیم (DX)

در این تصویر، حرارت از هوا گرفته می­ شود و از طریق 3 حلقه انتقال حرارت به فضای بیرون تخلیه می ­گردد (از چپ به راست).

  • در حلقه سمت چپ، یک فن هوای تعبیه شده در سیستم هوای محیط داخل را بر روی اواپراتور به حرکت در می ­آورد، که در نتیجه آن هوا حرارت خود را به مایع مبرد انتقال می ­دهد.
  • در حلقه میانی، یک کمپرسور تبریدی بخار مبرد را از اواپراتور به سمت کندانسور برده و مجدداً آن را به صورت مایع مبرد به اواپراتور باز می ­گرداند. سیکل در یک حلقه بسته با لوله­کشی مسی ادامه می ­یابد.
  • در حلقه سمت راست، فن کندانسور هوای محیط بیرون را در امتداد کندانسور به جریان انداخته و در آن جا انتقال حرارت از مبرد به هوای بیرون صورت می ­گیرد. در نهایت مبرد پس از عبور از یک شیر انبساط که بین کندانسور و اواپراتور واقع شده است، خنک شده و به مایع تبدیل می ­گردد.

سیستم ­های تهویه مطبوع پنجره­ ای، پکیج یونیت­ ها و سیستم­ های اسپلیت نمونه ­هایی از سیستم ­های انبساط مستقیم (DX) هستند. این سیستم­ ها شامل کمپرسور هرمتیک آب ­بندی شده، اواپراتور (با کویل ­های سرمایشی از جنس مس و پره­ های آلومینیومی)، فن دمنده هوای ورودی، فیلترها و یونیت خارجی هستند. سیستم ­های انبساط مستقیم (DX) لزومأ به صورت یونیت ­های مونتاژ  شده در کارخانه عرضه می­ شوند و به عنوان سیستم ­های محلی (Local Systems) نیز شناخته می ­شوند.

کاربردها و محدوده ­های ظرفیت این یونیت ­ها به صورت زیر است:

  • خنک ­کننده­ های هوای اتاقی (محدوده ظرفیت بین 0.5 تا 3 تن تبرید، مناسب برای یک ناحیه با مساحت کم­تر از 1000 فوت مربع) مانند انواع کولرهای گازی و غیره.
  • پکیج یونیت­ های مجهز به کندانسورهای هواخنک (محدوده ظرفیت در حدود 3 تا 50 تن تبرید، مناسب برای فضایی با حداکثر مساحت 1000 تا 10000 فوت مربع) مانند روفتاپ پکیج ­ها، هواسازهای مخصوص و غیره.
  • سیستم ­های اسپلیت مجهز به کندانسور هواخنک در یونیت خارجی (محدوده ظرفیت در حدود 0.5 تا 50 تن تبرید، مناسب برای یک فضا با مساحت 100 تا 10000 فوت مربع) مانند اسپلیت ­ها، داکت اسپلیت ­ها و غیره.

تذکر: هر ساختمان ویژگی ­های خاص و متفاوتی دارد و شرایط طراحی به طور قابل توجهی از یک ناحیه تا ناحیه دیگر تفاوت می­ کند. در نواحی مرطوب و گرم­تر تقاضای سرمایشی ممکن است به 1 تن تبرید به ازای هر 150 فوت مربع برسد و در نواحی خنک ­تر تقاضای سرمایشی حتی برای حدود 500 فوت مربع 1 تن تبرید برآورد می ­گردد! به منظور تأمین شرایط آسایش و تهویه مطبوع و در غیاب محاسبات بار گرمایشی، در نظر گرفتن 200 فوت مربع به ازای هر تن تبرید برای برآورد اولیه و به عنوان یک حساب سرانگشتی برای مناطق با آب و هوای معتدل منطقی به نظر می ­رسد.

سیستم­ های دارای کویل ­های انبساط مستقیم (DX) که بر اساس سیکل تراکمی بخار معکوس (Reverse Vapor Compression Cycle) کار می­ کنند، به عنوان پمپ حرارتی (Heat Pump) طبقه ­بندی می ­شوند. با افزودن یک شیر کنترلی مخصوص، جریان حرارت در سیکل تبرید مکانیکی می­ تواند به گونه ای معکوس شود که حرارت از بیرون گرفته شده و به درون ساختمان انتقال داده شود. چنین تجهیزی در طی فصل سرما برای گرمایش فضای داخلی با استفاده از اجزای فیزیکی یکسان نیاز است. به دلیل گرمای اضافه شده تراکم، راندمان پمپ حرارتی در مقایسه با سیکل سرمایشی بالاتر است.

به طور کلی سیستم ‌های تهویه مطبوع چهار دسته تمام هوا (All Air System)، هوا-آب (Air-Water System)، تمام آب (All Water System)، تمام مبرد یا انبساط مستقیم (All Refrigerant or Direct Expansion System) را شامل می ‌شوند.

کاربرد کویل ­های انبساط مستقیم (DX) در سیستم ­های تهویه مطبوع به علت حذف بخش اعظم کانال­ کشی و لوله­ کشی ها به سرعت در حال افزایش است. در واقع دلیل محبوبیت این کویل ­ها آسان بودن نصب سیستم و به تبع آن کاهش هزینه ­های کلی بهره­ برداری از سیستم است. همان­طور که پیش­ تر نیز بیان شد، از میان سیستم های تهویه مطبوع، کویل ­های انبساط مستقیم (DX) در هواسازها، اسپلیت­ ها و داکت اسپلیت ­ها، سیستم ­های اسپلیت مرکزی (VRF)، چیلرهای تراکمی، پکیج یونیت ­ها، پمپ ­های حرارتی با موتور گازسوز (GHP) مورد استفاده قرار می ­گیرند. بنابراین سیستم­ های تهویه مطبوع با کویل ­های انبساط مستقیم (DX) در فضاهایی همچون ساختمان­ های مسکونی، تجاری و اداری، هتل­ ها، واحدهای صنعتی، کارخانه ­های تولید مواد شیمیایی، آزمایشگاه ­های تحقیقاتی و غیره قابل به کارگیری هستند. در تصاویر زیر اجزای اصلی برخی از سیستم­ های مجهز به کویل ­های انبساط مستقیم (DX) قابل مشاهده است.

کویل انبساط مستقیم در هواساز

شکل 3- جانمایی اجزای اصلی هواساز مجهز به کویل­ های انبساط مستقیم (DX)

 کویل انبساط اسپلیت

شکل4- جانمایی اجزای اصلی اسپلیت مجهز به کویل ­های انبساط مستقیم (DX)

کویل انبساط اسپلیت مرکزی

شکل 5- جانمایی اجزای اصلی اسپلیت مرکزی مجهز به کویل­ های انبساط مستقیم (DX)

 کویل انبساط چیلر تراکمی

شکل 6- جانمایی اجزای اصلی چیلر تراکمی آبی مجهز به کویل ­های انبساط مستقیم (DX)

 کویل انبساط مستقیم

شکل 7- جانمایی اجزای اصلی سیستم ترکیبی چیلر تراکمی هوایی و هواساز مجهز به کویل­ های انبساط مستقیم (DX)

 کویل انبساط پکیج یونیت

شکل 8- جانمایی اجزای اصلی پکیج یونیت­ مجهز به کویل ­های انبساط مستقیم (DX)

 کویل انبساط پمپ حرارتی

شکل  9- جانمایی اجزای اصلی پمپ حرارتی مجهز به کویل ­های انبساط مستقیم (DX)

 

مزایای سیستم ­های مجهز به کویل ­های انبساط مستقیم (DX)

سیستم­ های مجهز به کویل ­های انبساط مستقیم (DX) مزایای متعددی دارند. ناچیز بودن اتلافات در مقایسه با سیستم ­های متداول قابل ملاحظه ­ترین ویژگی این کویل ­ها است. سایر مزایا در ادامه مطرح می­ گردند:

- عملکرد سرمایشی قوی

- هزینه­ های عملیاتی کم

- راه ­اندازی در زمان بسیار کوتاه

- هزینه ­های نگهداری بسیار کم در مقایسه با سایر سیستم­ ها

- مونتاژ آسان و هزینه مونتاژ کم

- کاهش هزینه ­های عملیاتی برای گرمایش و سرمایش به دلیل حذف لوله­ کشی ­ها و پمپ ­های آب

- حداقل فضای سقف و دیوار مورد نیاز

- امکان ­پذیر کردن تأمین گرمایش و سرمایش با یک سیستم اسپلیت مرکزی (Variable Refrigerant Flow: VRF)

- ارائه راه­ حلی جدید، آسان، سریع و نیازمند تنها یک سرمایه­ گذاری برای ساختمان­ های با مقیاس کوچک و متوسط

- قابل استفاده در کاربردهای نیازمند توان متوسط

- از بین بردن احتمال یخ ­زدگی کویل ­های هواسازها

- مصرف انرژی پایین

- کنترل خوب رطوبت نسبی

- عدم وجود اتلاف انرژی در لوله ­های مبرد که معضل سیستم ­های متداول است.

- عمر مفید طولانی­ تر از سیستم ­های متداول

- سر و صدای کمتر

 

معایب سیستم ­های مجهز به کویل­ های انبساط مستقیم (DX)

سیستم ­های دارای کویل ­های انبساط مستقیم (DX) در کنار مزایای خود معایبی نیز دارند که به ترتیب در ادامه مطرح شده است:

- هزینه ­های سرمایه ­گذاری گاهی بالاتر از سیستم ­های متداول است.

- افت راندمان کندانسور در زمان فعالیت سیستم در حالت سرمایشی

- اتلافات ظرفیت در زمان فعالیت سیستم در حالت سرمایشی و به هنگام تجاوز دمای هوای محیط از 43 درجه سلسیوس

- اتلافات ظرفیت در زمان فعالیت سیستم در حالت گرمایشی و حین فعالیت یخ زدایی مورد نیاز در یونیت خارجی

هر چند که این معایب با افزودن برخی موارد (کویل ­های گرمایشی برقی یا کویل ­های آب گرم) به سیستم می ­توانند بهبود پیدا کنند. لازم به ذکر است که با وجود ناخواسته بودن فعالیت یخ ­زدایی، نمی ­توان از آن اجتناب کرد و اگر برای این موضوع راهکارهای دیگری در نظر گرفته نشود، ممکن است جریان هوای سیستم در طی زمان یخ­ زدایی متوقف شود (حدود 5 دقیقه).

 

چرا سیستم های مجهز به کویل ­های انبساط مستقیم (DX) تنها برای کاربردهای تک منطقه ­ای (SingleThermal Zone) مناسب هستند؟

  1. در سیستم­ های تهویه مطبوع دارای کویل ­های انبساط مستقیم (DX) کنترل سیستم برای فعالیت موفق و کارآمد آن ضروری است.

کنترل­ ظرفیت در سیستم ­های دارای کویل ­های انبساط مستقیم (DX) بیشتر توسط خاموش و روشن کردن کمپرسور در جواب سیگنال دریافتی از ترموستات تحقق می ­یابد. بنابراین دو اتاق، با ترموستات ­های کنترلی تنظیم شده بر روی 22 درجه فارنهایت و 28 درجه فارنهایت با هم تداخل دارند، یا به عبارتی دیگر اتاق ­ها نمی­توانند به شرایط تنظیم شده برسند، مگر اینکه دو اتاق توسط یونیت ­های مختلفی خنک شوند. برای سرمایش یک منطقه (Single Zone)، سیستم تهویه مطبوع مجهز به کویل انبساط مستقیم (DX) تنها یک تجهیز کنترلی یا ترموستات دارد.

  1. سیستم­ های تهویه مطبوع دارای کویل ­های انبساط مستقیم (DX) نمی­ توانند به صورت مناسبی شبکه بندی شوند.

لوله ­کشی ­های مبرد نقشی کلیدی در ارتباط اجزای مختلف از نظر سایز، طول و افت فشار ایفا می­کند. استفاده از چندین اواپراتور در سیستم انبساط مستقیم توصیه نمی ­شود، چرا که در این صورت تنظیم جریان دقیق مبرد به اواپراتورها سخت است. بنابراین هر سیستم انبساط مستقیم یک واحد مستقل است که شامل کمپرسور(ها)، کویل­ های اواپراتور، فن، یونیت خارجی (Condensing Unit) وواحد فیلتراسیون (Filtration Unit) است. برای ساختمان­ های بزرگ که شامل چند منطقه هستند، سیستم ­های تهویه مطبوع مجهز به کویل ­های انبساط مستقیم (DX) به صورت کلکسیونی از یونیت ­های مستقل که در مکان های متفاوت درون یک شبکه قرار گرفته ­اند و هر یونیت در شرایط ایزوله فعالیت می­ کند، دیده می ­شوند.