در زمینۀ سیستم‌های تبریدی و تهویۀ مطبوع، که در آنها عموماً از سیکل تراکمی تبریدی استفاده شده است، احتمالاً حداقل یکبار اصطلاح «سوپرهیت» به گوشتان خورده باشد.
سوپرهیت، یکی از پُراهمیت‌ترین فرایندهای چرخۀ سرمایشی است که جهت محافظت از قطعات اصلی تعبیه‌شده درسیستم، و همچنین حفظ عملکرد اصولی این سیکل به‌کار برده می‌شود.
در مقاله‌ای که پیشِ روی شماست، کارشناسان مجموعۀ اینترنتی دکتر کول، شما را با چندوچون مفهوم سوپرهیت، کاربردها و وظیفۀ آن در سیستم و همچنین آموزش محاسبه دمای سوپرهیت که در طراحی و نصب چیلرها و سایر تجهیزات سردخانه‌ای بسیار حائز اهمیت است، آشنا کرده اند.
پیشنهاد می‌کنیم مطالعۀ این مطلب مفید را از دست ندهید.
تعریف سوپرهیت (SUPERHEAT)
تمامی مواد به طور کلی سه فاز جامد، مایع و گاز دارند. در برخی از دما و فشارهای معین، به‌طور همزمان، دو فاز مختلف از مواد می‌توانند در کنار یکدیگر وجود داشته باشند. برای مثال، آب و بخار آن به‌شکل طبیعی، همواره در کنار یکدیگر در محیط وجود دارند که این وضعیت، سیال دو فازی نامیده می‌شود.
در پاسخ به این سؤال که «سوپرهیت چیست؟» باید بگوییم که در زمان حرارت دادن سیال جهت تبدیل آن به بخار، در لحظۀ تکمیل پروسۀ تبخیر، به بخاری که ایجاد می‌شود اصطلاحاً بخار اشباع (به انگلیسی: Saturated Vapor) می‌گویند. درصورتی که پس از تشکیل بخار اشباع، همچنان حرارت دادن به آن را ادامه دهیم، در آن صورت بخار اشباع به بخار فوق گرم تبدیل می‌شود که در اصطلاح از آن با عنوان سوپرهیت (به انگلیسی: Superheat) یاد می‌کنند. در حقیقت سوپر هیت، کمیتی ویژه، مختص به انتقال حرارت است که مفهوم اختلاف دما میان دو نقطه را یدک می‌کشد.
اجازه دهید برای تسهیل درک این مطلب، آن را با مثالی آسان خدمتتان توضیح دهیم. به‌صورت طبیعی در جو زمین، آب در فشار یک اتمسفر و در دمای ۱۰۰ درجۀ سانتی‌گراد به جوش می‌آید؛ در نتیجه، دمای اشباع آن در فشار یک اتمسفری برابر با ۱۰۰ درجۀ سانتی‌گراد است. پس از اینکه آب به نقطۀ جوش خود رسید و آغاز به جوشیدن کرد؛ از آن پس، هرچقدر هم که دما را افزایش دهیم، دمای آبِ در حال جوش، بیش از ۱۰۰ درجۀ سانتی‌گراد نخواهد شد. به همین دلیل نیز انرژی باقی‌مانده از آن نقطه به بعد، صرف تغییر فاز آب یعنی تبدیل آن از حالت مایع به بخار می‌شود. حال تصور کنید که فشار همچنان ثابت است و تمامی مایع با گرما گرفتن بخار شده است؛ در این صورت اگر حرارت دادن را همچنان ادامه دهیم، دمای بخار آب به تدریج از ۱۰۰ درجه فراتر خواهد رفت. مثلاً اگر دمای بخار برابر با ۱۰۹ درجه باشد، می‌گوییم سوپرهیت برابر با ۹ درجه است.
به‌طور مختصر، سوپرهیت در چرخه‌های تبرید، چیلرها و موارد مشابه به‌صورت اختلاف دمای حقیقی مبرد بخارشده و دمای مبرد اشباع در خروجی اواپراتور بیان می‌شود.
چرا در سیکل تبرید، سوپر هیت باید انجام شود؟
در ساختار تجهیزات تبریدی نظیر چیلرها، یکی از پُراهمیت‌ترین مسائل، سوپرهیت کردن مبرد است. سیالی که به اواپراتور وارد می‌شود، ماده‌ای دو فازی است که در این قسمت به‌تدریج تبخیر شده و ضمن تبدیل شدن به بخار، با ورد شدن به کمپرسور فشرده می‌شود. سیالی که به کمپرسور وارد می‌شود، بر اساس نحوۀ عملکرد این قطعۀ حیاتی، به هیچ عنوان نباید مایع باشد؛ در نتیجه، درصورتی که این بخار سوپرهیت نشود، با دفع کمترین میزان حرارت می‌تواند به مایع تبدیل شود و مشکلات بسیاری را برای کمپرسور و سیکل تبرید دستگاه ایجاد کند. علاوه‌بر این مورد، هر ده درجه سوپرهیت کردن مبرد، می‌تواند یک تا سه درصد ظرفیت کمپسور دستگاه‌تان را افزایش دهد.
ضرورت انجام سوپرهیت و نکات جانبی پیرامون آن
همان‌طور که تا به اینجا دریافتیم، در سیستم‌های تراکمی و تبریدی هدف از انجام سوپرهیت؛ ممانعت از ورود مایع مبرد به درون کمپرسور است و از‌آنجاکه تنها فازی از ماده که با اطمینان می‌توانیم بگوییم این مشکل را در سیکل تبرید ایجاد نمی‌کند؛ بخار اشباع فوق گرم یا اصطلاحاً سوپرهیت است که تمامی قطرات مایع درون آن پیش‌تر تبخیر‌شده‌اند.
جهت انجام فرایند سوپرهیت، عموماً ۵ تا ۱۵ درصد از سطح انتهایی کویل دستگاه را به این پروسه اختصاص می‌دهند. در این حالت، بخار اشباع مبرد با حرکت در انتهای کویل، ضمن جذب حرارت موجود در محیط، سوپرهیت می‌شود. برای اطمینان از درستی انجام سوپرهیت، تنها کافی است تا از شیر انبساط ترموستاتیک ویژه‌ای استفاده کنید که مایع مبرد اواپراتور را از درون خود عبور می‌دهد.
توجه به این نکته ضروری است که درصورتی که فرایند سوپرهیت به‌درستی صورت نپذیرد؛ موجبات بازگشت مایع مبرد به کمپرسور و در نهایت ایجاد صدمات شدید به آن را فراهم می‌آورد.
روش اندازه گیری سوپرهیت
در وحلۀ اول، جهت محاسبه مقدار سوپرهیت در چرخۀ تبرید، نیاز است تا نوع دقیق مادۀ مبرد مشخص شود؛ زیرا نحوه اندازه‌گیری سوپرهیت در انواع مختلف مبردها با یکدیگر متفاوت است.
علاوه‌بر نوع مبرد، در اختیار داشتن دو پارامتر «دمای خروجی اواپراتور» و «فشار اواپراتور» که «فشار ساکشن یا مکش» نیز نامیده می‌شود، ضروری است. پس از به‌دست آوردن این اطلاعات، جهت اندازه گیری سوپرهیت به ترتیب زیر عمل می‌کنیم.
برای محاسبه سوپرهیت ابتدا مقدار فشار مکش را از روی فشارسنج می‌خوانیم.
سپس با مراجعه به جدول دمای اشباع مبردی که در اطلاعات روی دستگاه‌تان درج شده است، دمای متناظر با این مقدار از فشار را به‌دست می‌آوریم.
در این مرحله، توجه فرمایید که فشاری که از روی فشارسنج خوانده می‌شود، در حقیقت «فشار گیج» نام دارد و باید از جدولی که بر اساس فشار گیج نگارش شده است، دمای متناظر با آن را به‌دست آورید. در صورتی که این جدول، بر اساس فشار مطلق نوشته شده بود، می‌بایست با انجام تبدیل واحد؛ از طریق اضافه کردن یک بار (bar) یا ۱۴٫۷ پی‌اس‌آی (psi) به عدد خوانده شده از روی فشارسنج، فشار گیج را به فشار مطلق تبدیل کنید.
حال با در اختیار داشتن این فشار، به جدول «فشار- دما» یا اصطالاحاً «جدول P-T» که مختص مبرد مورد نظرتان تهیه شده است مراجعه کرده و دمای اشباع را از روی آن به‌دست آورید. در حقیقت این دما، همان دمای اواپراتور در نظر گرفته می‌شود.
در این مرحله، با استفاده از یک دماسنج، دمای لولۀ خروجی اواپراتور را که در نزدیکی بالب شیر انبساط قرار گرفته است، اندازه‌گیری کرده و آن را از دمایی که از داخل جدول به‌دست آورده‌اید، کم کنید. عددی که بدین طریق به‌دست می‌آورید، همان سوپرهیت است که معمولاً در سوپرهیت مفید، این رقم باید مابین ۵ تا ۷ درجۀ سانتی‌گراد باشد.
لازم به ذکر است که برای محاسبه سوپرهیت در مبرد های آزئوتروپ، به این دلیل که عمل تبخیر آنها در فشار و دمای ثابتی صورت نمی‌پذیرد؛ جهت تعیین دمای اواپراتور نیاز است که از نقطۀ شبنم (به انگلیسی: Dew Point) که در داخل جدول قید شده است، استفاده کنید.
برای مثال، تصور کنید فشار مکش دستگاه روی ۷۰ پی‌اس‌آی (psi) بوده و نوع مبرد موجود در دستگاه، گاز R22 است. در این حالت شما عزیزان می‌بایست با مراجعه به جدول «فشار-دما» که برای مبرد R22 آماده شده است، دمای متناظر را که در این مورد خاص برابر با ۵ درجۀ سانتی‌گراد است، به‌دست آورید. درصورتی که دمای لولۀ خروجی اواپراتور نیز برابر با ۱۱ درجۀ سانتی‌گراد باشد، سوپرهیت از روش زیر محاسبه می‌شود:
۶ = ۵ – ۱۱
با توجه به پاسخ معادلۀ بالا، می‌توان گفت که در این مورد، سوپرهیت برابر با ۶ درجۀ سانتی‌گراد است.
پس می‌توانیم فرمول محاسبه سوپرهیت را بدین شکل خلاصه کنیم:
دمای بخار اشباع – دمای خروجی اواپراتور = سوپر هیت
میزان سوپرهیت پیشنهادی برای کاربردهای مختلف
در محاسبات سوپرهیت، برای مبردهای آزئوتروپ (به انگلیسی: Azeotrope) نظیر؛ R410 و R407 کافی است تا با در اختیار داشتن فشار اواپراتور و مراجعه به جدول اشباع مبرد، دمای مبرد را در نقطۀ شبنم قرائت کنید.
در حقیقت نقطۀ شبنم، دمایی است که نرخ تبخیر آب مایع با نرخ میعان بخار آن برابر می‌شود.
| نوع سیستم | دستگاه های تهویه مطبوع و پم های حرارتی | تبرید صنعتی | تبرید زیر صفر |
| دمای اواپراتور (فارنهایت) | 40 تا 50 | 0 تا 40 | 0 تا 40- |
| رنج سوپرهیت پیشنهادی
(فارنهایت) |
8 تا 12 | 6 تا 8 | 4 تا 6 |
جدول فشار-دما انواع مختلف مبرد
در ادامه، جدول P-T مخصوص مبردهای پُرکاربردی نظیر؛ R22، R407C، R417A و R410A را در اختیارتان قرار داده‌ایم تا به‌راحتی در هنگام انجام محاسبه سوپرهیت از آن استفاده نمایید.
| R417A | R407C | R410A | R22 | دما | |||
| فشار بخار
Vapor Press. |
فشار مایع
Liquid Press. |
فشار بخار
Vapor Press. |
فشار مایع
Liquid Press. |
سانتی گراد | فارنهایت | ||
| ۴٫۲
۰٫۸ ۱٫۵ ۳٫۶ ۵٫۹ |
۰٫۵
۲٫۴ ۴٫۵ ۶٫۹ ۹٫۴ |
۴٫۴
۰٫۶ ۱٫۸ ۴٫۱ ۶٫۶ |
۳٫۰
۵٫۴ ۸٫۰ ۱۰٫۹ ۱۴٫۱ |
۱۱٫۶
۱۴٫۹ ۱۸٫۵ ۲۲٫۵ ۲۶٫۹ |
۰٫۵
۲٫۶ ۴٫۹ ۷٫۴ ۱۰٫۱ |
۴۰.۰-
۳۷.۲- ۳۴.۴- ۳۱.۷- ۲۸.۹- |
۴۰-
۳۵- ۳۰- ۲۵- ۲۰- |
| ۸٫۴
۱۱٫۲ ۱۴٫۳ ۱۷٫۶ ۲۱٫۲ |
۱۲٫۲
۱۵٫۲ ۱۸٫۵ ۲۲٫۰ ۲۵٫۹ |
۹٫۴
۱۲٫۵ ۱۵٫۹ ۱۹٫۶ ۲۳٫۶ |
۱۷٫۶
۲۱٫۳ ۲۵٫۴ ۲۹٫۹ ۳۴٫۷ |
۳۱٫۷
۳۶٫۸ ۴۲٫۵ ۴۸٫۶ ۵۵٫۲ |
۱۳٫۲
۱۶٫۵ ۲۰٫۱ ۲۴٫۰ ۲۸٫۲ |
۲۶.۱-
۲۳.۳- ۲۰.۶- ۱۷.۸- ۱۵.۰- |
۱۵-
۱۰- ۵- ۰ ۵ |
| ۲۵٫۱
۲۹٫۳ ۳۳٫۹ |
۳۰٫۰
۳۴٫۵ ۳۹٫۳ |
۲۸٫۰
۳۲٫۸ ۳۸٫۰ |
۳۹٫۹
۴۵٫۶ ۵۱٫۶ |
۶۲٫۳
۷۰٫۰ ۷۸٫۳ |
۳۲٫۸
۳۷٫۷ ۴۳٫۰ |
۱۲.۲-
۹.۴- ۶.۷- |
۱۰
۱۵ ۲۰ |
