محاسبه آنلاین ظرفیت مبدل حرارتی استخر و جکوزی + فرمول

اگر استخر دارید یا در حال طراحی موتورخانه هستید، یکی از مهم ترين سوال ها این است:

«چه ظرفیتی برای مبدل حرارتی استخر لازم است تا آب استخر درست و به موقع گرم شود؟»

در این مطلب به صورت کاملا کاربردی و مرحله به مرحله درباره محاسبه ظرفیت مبدل حرارتی برای استخر صحبت می کنیم و هم مبدل حرارتی صفحه ای را بررسی می کنیم و هم مبدل پوسته و لوله ای را. در نهایت خودتان می توانید با چند عدد و فرمول ساده، ظرفیت تقریبی مبدل را حساب کنید و بدانید چه مدلی برای شما مناسب است.

همچنین میتوانید از طریق فرم زیر به راحتی به صورت آنلاین محاسبه ظرفیت مبدل را انجام دهید.

« در نظر داشته باشید محاسبه مبدل استخر مقداری پیچیده است و برای انتخاب بهترین گزینه و صرفه جویی در زمان و هزینه میتوانید با کارشناسان ما تماس حاصل فرمایید تا محاسبه شما را در سریع ترین زمان ممکن و به صورت رایگان انجام دهند »

فرمول محاسبه مبدل استخر

برای این که کار را برای خودتان ساده کنید، می توانید این مسیر را جلو بروید:

1. حجم استخر را مشخص کنیدطول × عرض × عمق متوسط = حجم تقریبی بر حسب متر مکعب

1. دمای اولیه و دمای مطلوب استخر را تعیین کنیداختلاف دما ΔT را محاسبه کنید.
2. زمان مطلوب برای گرم کردن اولیه را مشخص کنیدمثلا ۸، ۱۰ یا ۱۲ ساعت
3. با فرمول ساده Q = m × Cp × ΔTانرژی کل مورد نیاز را حساب کنید و بر زمان تقسیم کنید تا ظرفیت بر حسب کیلو کالری بر ساعت یا کیلو وات به دست آید.
4. برای تلفات و راندمان، ۲۰ تا ۳۰ درصد ظرفیت اضافه کنیدتا در شرایط واقعی مبدل کم نیاورد.
5. نوع مبدل را انتخاب کنید
   • اگر فضای موتورخانه محدود است و فیلتراسیون خوبی دارید، مبدل صفحه ای گزینه خوبی است.
   • اگر آب سخت دارید و سرویس و رسوب زدایی برای شما مهم تر است، مبدل پوسته و لوله ای می تواند مناسب تر باشد.
6. دما و دبی مدار دیگ را مشخص کنیدمعمولا مثلا ۷۰ تا ۸۰ درجه در ورودی و ۶۰ تا ۶۵ در خروجی مبدل، بسته به سیستم گرمایش.
7. از کاتالوگ تولید کننده استفاده کنیدظرفیت، دبی ها و دما ها را به فروشنده یا مهندس طراح بدهید تا مدل دقیق مبدل (چه صفحه ای چه پوسته و لوله ای) را پیشنهاد دهد.

کلیات محاسبه ظرفیت مبدل حرارتی استخر

برای محاسبه ظرفیت مبدل حرارتی استخر (چه صفحه ای چه پوسته و لوله ای) در اصل باید به چهار موضوع اصلی توجه کنید:

1. حجم آب استخر
2. اخت

1. لاف

1. دمای مورد نیاز آب استخر
2. زمان مورد نظر برای گرم کردن استخر (مثلا چند ساعت)
3. تلفات حرارتی استخر (به خاطر تبخیر، دیواره ها، محیط و غیره)

با این اطلاعات می توانید ظرفیت حرارتی تقریبی را به دست بیاورید.

به طور کلی دو نوع محاسبه داریم:

• الف) ظرفیت برای گرم کردن اولیه استخراز دمای آب ورودی مثلا ۱۵ درجه تا دمای کاری مثلا ۲۸ درجه در مدت مشخص
• ب) ظرفیت برای جبران تلفات و نگه داشتن دما روی عدد دلخواهیعنی وقتی استخر به دمای مطلوب رسید، برای این که دائم روی همان دما بماند چقدر ظرفیت نیاز است.

معمولا در انتخاب مبدل حرارتی استخر، ظرفیت مورد نیاز برای گرم کردن اولیه را حساب می کنند و در کنار آن تلفات را هم به صورت تقریبی در نظر می گیرند و در نهایت کمی هم ضریب اطمینان اضافه می کنند تا مبدل کم نیاورد.

« دقت کنید در ادامه قصد داریم به صورت علمی فرمول محاسبه را بررسی کنیم و پس از آن در انتهای محتوا روش ساده و کاربردی را بررسی می کنیم، پس این موارد زیر کلیت کار هستند. »

۱. فرمول کلی ظرفیت گرمایی

فرمول پایه در اکثر محاسبات حرارتی این است:

Q = m × Cp × ΔT

که در آن:

• Q = انرژی حرارتی مورد نیاز (کیلو ژول یا کیلو کالری)
• m = جرم آب استخر (کیلو گرم)
• Cp = گرمای ویژه آب
• ΔT = اختلاف دما (درجه سانتی گراد)

برای آب:

• گرمای ویژه تقریبا ۱ کیلو کالری بر کیلو گرم درجه سانتی گراد یا حدود ۴٫۱۸ کیلو ژول بر کیلو گرم درجه سانتی گراد است.
• چگالی تقریبا ۱ کیلو گرم در هر لیتر است، یعنی ۱ متر مکعب آب حدود ۱۰۰۰ کیلو گرم است.

پس اگر حجم استخر را بر حسب متر مکعب بدانید، جرم آب تقریبا همان عدد ضرب در ۱۰۰۰ است.

۲. تبدیل انرژی به ظرفیت مبدل (کیلو وات یا کیلو کالری بر ساعت)

بعد از حساب کردن انرژی کل Q، باید بدانید این انرژی را در چند ساعت می خواهید وارد آب کنید.

اگر فرض کنیم می خواهید استخر را در مدت t ساعت گرم کنید:

Capacity = Q ÷ t

برای مثال اگر Q بر حسب کیلو کالری باشد و t بر حسب ساعت، خروجی می شود کیلو کالری بر ساعت.

برای تبدیل کیلو کالری بر ساعت به کیلو وات:

۱ kW ≈ ۸۶۰ kcal/h

یا بر عکس:

۱ kcal/h ≈ ۰٫۰۰۱۱۶ kW

بنابراین:

PkW = Qkcal/h ÷ ۸۶۰

یک مثال عددی ساده برای محاسبه مبدل استخر

فرض کنید استخر شما مشخصات زیر را دارد:

• حجم استخر: ۱۰۰ متر مکعب
• دمای اولیه آب: ۱۵ درجه سانتی گراد
• دمای مطلوب: ۲۸ درجه سانتی گراد
• اختلاف دما: ۱۳ درجه سانتی گراد
• زمان مطلوب برای گرم کردن اولیه: ۱۰ ساعت

۱. محاسبه انرژی مورد نیاز

جرم آب:

m = ۱۰۰ متر مکعب × ۱۰۰۰ کیلو گرم بر متر مکعب = ۱۰۰۰۰۰ کیلو گرم

انرژی لازم:

Q = m × Cp × ΔT = ۱۰۰۰۰۰ × ۱ × ۱۳ = ۱۳۰۰۰۰۰ کیلو کالری

۲. تبدیل به ظرفیت بر حسب زمان

اگر قرار است در ۱۰ ساعت این انرژی تامین شود:

Capacity = ۱۳۰۰۰۰۰ ÷ ۱۰ = ۱۳۰۰۰۰ کیلو کالری بر ساعت

حالا تبدیل به کیلو وات:

PkW = ۱۳۰۰۰۰ ÷ ۸۶۰ ≈ ۱۵۱ کیلو وات

پس برای این استخر فرضی، حدود ۱۵۰ کیلو وات ظرفیت برای گرم کردن اولیه در ۱۰ ساعت نیاز دارید.

در عمل معمولا موارد زیر را هم در نظر می گیرند و مثلا ۱۰ تا ۳۰ درصد ظرفیت را اضافه تر در نظر می گیرند:

• کمی تلفات
• راندمان مبدل
• افت دما در مسیر لوله ها

نحوه محاسبه ظرفیت مبدل حرارتی صفحه ای

مبدل حرارتی صفحه ای در استخر ها به خاطر ابعاد کوچک، راندمان بالا و قابلیت کار با اختلاف دمای کم، بسیار رایج است. روند کار معمولا این طور است:

1. محاسبه ظرفیت حرارتی مورد نیاز استخر (مثل مثال بالا)
2. تعیین دبی آب استخر که از مبدل عبور می کند
3. تعیین دمای آب مدار گرمایش (آب داغ یا آب دیگ) در ورودی و خروجی مبدل
4. در نظر گرفتن راندمان و انتخاب مدل مبدل از کاتالوگ سازنده

دمای مدار آب داغ (طرف داغ مبدل صفحه ای)

در استخر های معمولی که با دیگ آب گرم کار می کنند، مدار آب داغ معمولا چیزی شبیه این است:

• دمای ورود به مبدل: حدود ۷۰ تا ۸۰ درجه سانتی گراد
• دمای خروج از مبدل: مثلا ۶۰ تا ۶۵ درجه سانتی گراد

هر چه اختلاف دمای بیشتری بین مدار داغ و مدار استخر وجود داشته باشد، ظرفیت انتقال حرارت در مبدل صفحه ای بیشتر می شود و تعداد صفحات مورد نیاز کمتر می شود.

محاسبه دبی آب استخر از روی ظرفیت مبدل

اگر ظرفیت مبدل مورد نیاز Q بر حسب کیلو کالری بر ساعت مشخص باشد، دبی لازم آب استخر (طرف سرد) تقریبا از این فرمول به دست می آید:

Q = ṁ × Cp × ΔT

اگر بخواهیم دبی حجمی V̇ بر حسب متر مکعب بر ساعت را حساب کنیم:

ṁ ≈ ۱۰۰۰ × V̇

و Cp ≈ ۱ کیلو کالری بر کیلو گرم درجه است. در عمل می توانید از رابطه تجربی زیر استفاده کنید:

V̇ (متر مکعب بر ساعت) ≈ Qkcal/h ÷ (۱۰۰۰ × ΔT)

مثلا اگر ظرفیت مورد نیاز ۱۳۰۰۰۰ کیلو کالری بر ساعت و اختلاف دمای آب استخر در مبدل ۳ درجه باشد:

V̇ ≈ ۱۳۰۰۰۰ ÷ (۱۰۰۰ × ۳) ≈ ۴۳٫۳ متر مکعب بر ساعت

یعنی باید حدود ۴۳ متر مکعب در ساعت آب استخر از مبدل حرارتی صفحه ای عبور کند تا بتواند آن ظرفیت را تامین کند.

انتخاب مبدل صفحه ای از کاتالوگ

وقتی ظرفیت و دبی مشخص شد، مرحله بعد انتخاب مبدل از کاتالوگ تولید کننده است. پارامتر هایی که باید به آن توجه کنید:

• ظرفیت حرارتی مبدل در شرایط کاری شما
• دمای ورودی و خروجی هر دو سمت
• دبی هر دو مدار
• افت فشار مجاز در سمت آب استخر و سمت آب داغ
• جنس صفحات و گسکت ها (برای آب استخر معمولا استیل ضد زنگ)

معمولا تولید کننده ها برای مبدل صفحه ای جداول یا نرم افزار انتخاب دارند. شما ظرفیت، دما ها و دبی ها را وارد می کنید و نرم افزار تعداد صفحات و مدل پیشنهادی را اعلام می کند.

نکته مهم: در استخر های کلر دار حتما به کیفیت جنس مبدل (استیل ۳۱۶ یا بالاتر) توجه کنید تا خوردگی اتفاق نیفتد.

نحوه محاسبه ظرفیت مبدل حرارتی پوسته و لوله ای

مبدل حرارتی پوسته و لوله ای هنوز هم در بسیاری از استخر ها استفاده می شود، خصوصا در پروژه هایی که به دوام بالا و امکان سرویس و رسوب زدایی ساده نیاز دارند.

روند کلی محاسبه ظرفیت برای مبدل پوسته و لوله ای مشابه مبدل صفحه ای است، اما در انتخاب سایز مبدل کمی تفاوت وجود دارد.

فرمول کلی طراحی مبدل پوسته و لوله ای

فرمول پایه در طراحی مبدل پوسته و لوله ای:

Q = U × A × ΔTlm

که در آن:

• Q = ظرفیت انتقال حرارت (مثلا بر حسب کیلو وات یا کیلو کالری بر ساعت)
• U = ضریب کلی انتقال حرارت (وابسته به نوع مبدل، جنس، رسوب، سرعت جریان و غیره)
• A = سطح تبادل حرارت (متر مربع)
• ΔTlm = اختلاف دمای میانگین لگاریتمی بین دو سیال

در عمل در پروژه های استخر، طراح به جای محاسبه کامل U و A معمولا از جداول و کاتالوگ هایی استفاده می کند که برای هر سایز مبدل پوسته و لوله ای ظرفیت تقریبی را نشان می دهد.

اما برای فهم موضوع خوب است مفهوم اختلاف دمای میانگین لگاریتمی را بشناسید.

اختلاف دمای میانگین لگاریتمی ΔTlm

اگر دمای مدار داغ در ورود و خروج به مبدل به ترتیب Th,in و Th,out و دمای مدار سرد (استخر) در ورود و خروج Tc,in و Tc,out باشد، دو اختلاف دما داریم:

ΔT1 = Th,in − Tc,out

ΔT2 = Th,out − Tc,in

اختلاف دمای میانگین لگاریتمی:

ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2) ÷ ln(ΔT1 ÷ ΔT2)

هر چه این عدد بزرگ تر باشد، برای یک ظرفیت مشخص به سطح کمتر و مبدل کوچکتر نیاز است.

استفاده عملی در انتخاب مبدل پوسته و لوله ای استخر

در عمل برای استخر ها:

1. ابتدا با همان روش اولیه، ظرفیت مورد نیاز را بر حسب کیلو کالری بر ساعت یا کیلو وات حساب می کنید.
2. سپس دمای مدار دیگ (ورودی و خروجی) و دمای مدار استخر در ورودی و خروجی مبدل را فرض یا تعیین می کنید.
3. ΔTlm را محاسبه می کنید.
4. با توجه به نوع مبدل و نوع سیال، از یک ضریب U تقریبی استفاده می کنید.
5. از فرمول A = Q ÷ (U × ΔTlm) سطح مورد نیاز را به دست می آورید.
6. از روی سطح مورد نیاز، سایز مبدل پوسته و لوله ای را از کاتالوگ سازنده انتخاب می کنید.

البته برای کاربر نهایی، معمولا این جزئیات را خود تولید کننده انجام می دهد؛ کافی است ظرفیت مورد نیاز، دما ها و دبی ها را به او بدهید تا مدل مناسب را پیشنهاد دهد.

عوامل موثر بر ظرفیت مبدل حرارتی

برای این که انتخاب مبدل شما منطقی و اقتصادی باشد، باید چند عامل مهم را در نظر بگیرید:

حجم و نوع استخر

• استخر بزرگ، استخر درمانی، جکوزی، حوضچه آب سرد، استخر کودکان، هر کدام حجم و دمای کاری متفاوت دارند.
• هر چه حجم بیشتر و دمای کاری بالاتر باشد، ظرفیت مبدل هم بیشتر می شود.

برای جکوزی ها معمولا دما بالاتر و حجم کمتر است، اما چون دمای کار حدود ۳۸ تا ۴۰ درجه است، ظرفیت نسبتا بالا در نظر می گیرند.

دمای طراحی آب استخر

معمولا:

• دمای استخر عمومی: ۲۷ تا ۲۹ درجه سانتی گراد
• دمای استخر خصوصی: ۲۸ تا ۳۰ درجه سانتی گراد
• دمای جکوزی: حدود ۳۸ تا ۴۰ درجه سانتی گراد

هر درجه که دمای طراحی بالاتر برود، هم انرژی اولیه بیشتری لازم است و هم تلفات بیشتر می شود.

زمان مورد نظر برای گرم کردن اولیه

اگر عجله دارید و می خواهید استخر در مدت کوتاه تری به دمای کاری برسد، باید مبدل حرارتی با ظرفیت بالاتری انتخاب کنید.

مثلا:

• گرم کردن استخر در ۸ ساعت نسبت به ۱۲ ساعت، به ظرفیت بیشتر نیاز دارد.
• اگر زمان را دو برابر کنید، ظرفیت لازم تقریبا نصف می شود (به صورت تقریبی و در شرایط مشابه).

تلفات حرارتی استخر

تلفات استخر شامل موارد زیر است:

• تبخیر سطح آب
• انتقال حرارت از سطح آزاد آب به هوای اطراف
• تلفات از دیواره ها و کف استخر
• تلفات ناشی از تعویض آب، شستشو و غیره

اگر استخر سر پوشیده باشد و از روکش مناسب استفاده شود، تلفات تبخیر به شکل قابل توجهی کم می شود و ظرفیت مورد نیاز برای نگهداری دما کاهش می یابد.

برای محاسبه دقیق تلفات، روابط مهندسی مختلفی وجود دارد، ولی در کاربرد های معمول، طراحان از یک ضریب تجربی استفاده می کنند و به صورت تقریبی مثلا ۲۰ تا ۴۰ درصد به ظرفیت محاسبه شده اولیه اضافه می کنند.

نوع مبدل (صفحه ای یا پوسته و لوله ای)

مبدل صفحه ای و پوسته و لوله ای از نظر عملکرد تفاوت هایی دارند:

• مبدل صفحه ای
  • راندمان بالاتر
  • ابعاد کوچکتر
  • نیاز به فیلتراسیون بهتر برای جلوگیری از گرفتگی
  • حساس تر به رسوب
  • افت فشار بیشتر ولی انتقال حرارت بهتر
• مبدل پوسته و لوله ای
  • مقاوم تر در برابر رسوب و ذرات
  • امکان رسوب زدایی مکانیکی ساده تر
  • ابعاد بزرگتر
  • ضریب انتقال حرارت پایین تر نسبت به مبدل صفحه ای با همان سطح

در نهایت هر دو می توانند همان ظرفیت را تامین کنند، فقط سطح و ابعاد و شرایط بهره برداری فرق می کند.

کیفیت آب و رسوب گذاری

اگر آب استخر یا آب مدار داغ سختی بالا داشته باشد و رسوب تشکیل شود، ضریب انتقال حرارت U کاهش پیدا می کند و عملا ظرفیت مبدل افت می کند.

برای جبران این موضوع:

• در طراحی اولیه حتما ضریب اطمینان در نظر بگیرید.
• سیستم تصفیه و سختی گیر مناسب داشته باشید.
• سرویس دوره ای و رسوب زدایی را فراموش نکنید.