• مقالات تخصصی

تن تبرید چیست؟ — به زبان ساده و با مثال

واحدهای اندازه‌گیری ابزاری برای تعیین کمیت یک مقدار فیزیکی (مانند دما، فشار، حجم، جرم، طول و…) هستند و کسانی که با سیستم‌های تهویه مطبوع و تبرید کار می‌کنند دائماً با این پارامترها سر و کار دارند. بنابراین، شناخت پارامترهای مهم ترمودینامیکی، درک و نحوه استفاده از آن‌ها مهم است. دلیل دیگر برای شناخت این واحدها این است که اغلب لازم است داده‌هایی را که برحسب واحد اندازه‌گیری خاصی تعیین شده، به داده‌ای با واحد دیگر تبدیل کنیم: به عنوان مثال، از Btu/h به kcal/h.

توان یک کمیت مهم و به معنای انرژی تولیدشده یا مصرف‌شده در واحد زمان است و رایج‌ترین واحدهای اندازه‌گیری آن عبارتند از:

• Btu/h
• kcal/h
• W

واحد Btu از British Thermal Unit گرفته شده است. این واحد بیان‌گر مقدار انرژی مورد نیاز برای افزایش دمای یک پوند (۰٫۴۵ کیلوگرم) آب به میزان یک درجه فارنهایت، تحت فشار ثابت ۱ اتمسفر است. واحد Kcal/h بیانگر کیلوکالری در ساعت است. یک کیلوکالری معادل ۱۰۰۰ کالری است و به عنوان گرمای مبادله شده در زمانی که جرم یک گرم آب از ۱۴٫۵ درجه سانتیگراد به ۱۵٫۵ درجه سانتیگراد می‌رسد، تعریف می‌شود. وات (W) رایج‌ترین واحد توان است که در سیستم بین‌المللی واحدها (SI) پذیرفته شده است.

جدول زیر رابطه این سه واحد با یکدیگر را نشان می‌دهد.

اساساً از تُن برای بیان جرم استفاده می‌شود که برابر با ۱۰۰۰ کیلوگرم است، اما در سیستم تبرید و تهویه مطبوع، تُن چیز دیگری است. تناژ تهویه مطبوع ربطی به جرم ندارد. در واقع، تن اصطلاحی است که بیان می واحد واحد تبرید چقدر گرما را می‌تواند در یک ساعت از فضا خارج کند.

گاهی پیش می‌آید  که برخی افراد اسب بخار (hp) موتور را با تُن تبرید (Ton of Refrigeration) یا TR اشتباه می‌گیرند. یک تصور غلط رایج این است که یک تن یخچال برابر با یک اسب بخار است. این جمله فقط در برخی از کاربردهای دمای بالاتر تهویه مطبوع صادق است. در واقع، در کاربردهای تبرید و تهویه مطبوع در دمای متوسط و پایین، یک اسب بخار با یک تن تبرید برابر نیست.

باید توجه کرد که یک تن تبرید میزان انتقال حرارت است نه مقدار گرما. یک تن برابر است با گرمای جذب‌شده در ذوب ۲۰۰۰ پوند (۱ تن) یخ در دمای ۳۲ درجه فارنهایت در ۲۴ ساعت (۱ روز). این مقدار معادل Btu/hr ۱۲۰۰۰یا Btuh ۱۲۰۰۰ است. دقت کنید که هر دو واحد Btu/hr و Btuh رایج و به یک معنا هستند. همچنین، Btuh ۱۲۰۰۰ معادل Btu/min ۲۰۰ است، زیرا ۶۰ دقیقه همان ۱ ساعت است. فرمول ریاضی زیر نشان می‌دهد که چگونه ۱ تن تبرید برابر با Btuh ۱۲۰۰۰ است.

(2,000 lb ice) * (144 Btu/lb) ÷ (24 hours) = 12,000 Btuh
so, 1 ton of cooling = 12,000 Btuh or 200 Btu/min

نکته: گرمای نهان همجوشی یا همان آنتالپی ذوب برای یخ 144 Btu/lb است، به این معنی که برای هر پوند یخ که ذوب می‌شود، مقدارBtu ۱۴۴ گرما جذب می‌شود.

هنگامی که تجهیزات تبرید یا تهویه مطبوع برای ۱ تن مبرد سایز می‌شوند، به این معنی است که تجهیزات باید حرارت را با نرخ Btuh ۱۲۰۰۰ از بین ببرند. این در حالی است که تجهیزاتی که 12000 Btu را در 30 دقیقه حذف می کنند، ظرفیت 2 تن خواهند داشت. اگر تجهیزات خنک‌کننده 12000 Btu را در 4 ساعت حذف کنند، ظرفیت آن تنها 0.25 تن است. توجه کنید، در هر سه سناریو، مقدار 12000 Btu انرژی گرمایی حذف می شود. با این حال، آهنگ تغییر یا سرعتی که این سیستم‌ها 12000 Btu را حذف کردند، ظرفیت سیستم را بر حسب تن تعیین می‌کند.

محاسبه تن تبرید  

یک تن تبرید (TR) واحدی برای ظرفیت خارج کردن گرما توسط تجهیزات تبرید یا سرمایش است. به طور کلی، تن تبرید یا TR به عنوان مقدار گرمای منتقل شده برای یخ زدن یا ذوب ۱ تن یخ در دمای ۰ درجه سانتی‌گراد در ۲۴ ساعت تعریف می‌شود. ۱ تن تبرید تقریباً برابر با Btuh ۱۲۰۰۰ یا ۳۹۲۴ کیلوکالری در ساعت بار انرژی/گرمایی است.

گرمای همجوشی آب تقریباً ۳۳۵ کیلوژول بر کیلوگرم یا ۸۰٫۰۱ کیلوکالری بر کیلوگرم است. ۱ تن برابر با 2000 پوند یا ۹۰۷ کیلوگرم است.

انجمن مهندسین گرمایش، تبرید و تهویه مطبوع آمریکا (ASHRAE) مقدار ۱ تن تبرید را معادل ظرفیت تبرید 3516٫85 وات یا 3023٫95 کیلو کالری در ساعت تعریف می‌کند.

بنابراین، به عنوان مثال، کولر گازی یک تنی دارای ظرفیت تبرید 3516.85 وات در دماهای تعیین‌شده است.

از این رو، به طور خلاصه می‌توان گفت:

1 TR = 12000 Btu/hr

1 TR = 3516 kW

RT = 3023.95 kCal/hr 1

در ادامه، یک مثال را بررسی می‌کنیم.

مثال :

در پروژه‌ای، باید ۱۰۰۰ کیلوگرم بر ساعت هوای ۴۵ درجه سانتی‌گراد را در مبدل حرارتی آب‌خنک برای برخی از الزامات فرایند به ۱۰ درجه سانتی‌گراد برسانیم. می‌خواهیم ظرفیت چیلر را تعیین کنیم. اختلاف دما در چیلر ۵ درجه سانتی‌گراد در نظر گرفته شده است. آب چیلر با استفاده از یک پمپ گریز از مرکز به مبدل حرارتی پمپاژ می‌شود. مدار تبرید به صورت زیر است.

می‌دانیم که تن تبرید مقدار گرمایی است که باید از سیستم یا فرایند خارج شود.

مفروضات مسئله به صورت زیر است:

• هوا در دمای ورودی ۱۰۰ درصد خشک است.
• سیستم به خوبی عایق شده است و جذب گرمای محیط ناچیز است.

وظیفه مبدل حرارتی خروج مقدار گرمایی است که باید خارج شود و همچنین گرمای اضافه شده که توسط پمپ گردش آب خنک‌کننده اضافه می‌شود.

ابتدا وظیفه تبرید (Chilling duty) یا Qa مبدل حرارتی را محاسبه می‌کنیم.

Qa    = Air Flow rate * Cp of Air * ( Air in temp – Air out Temp)

= 1000 * 0.24 * ( 45-10 )

= 8400 Kcal/hr

Qa = 8400/3024 = 2.78 TR

اکنون، نرخ جریان آب سرد (Mw) را برای Qa محاسبه می‌کنیم:

Chilling water flow rate (Mw)  = Qa /( Cp * ( Chiller temp. Diff.)

Mw = 8400 /(1*5) =

Mw = 1.7 m3/hr

توان پمپاژ (توان شفت) با هد مایع حدود 30 متر و راندمان پمپ 30 درصد تقریباً 0٫44 کیلووات ساعت است. فرض می‌کنیم تمام توان پمپاژ (Qp) به مایع اضافه می‌شود که حدود 0٫44 کیلووات ساعت است، یعنی 378 کیلو کالری در ساعت (1 کیلووات ساعت = 860 کیلو کالری). در نتیجه، کل بار حرارتی چیلر برابر است با

Qc   = Qa+Qp=

= 8400 + 378

8778 = Kcal/ Hr

  که برابر با 2.9 تن تبرید است.