چیلر چیست؟

چیلر در لغت به معنی سرد کن است که با چیلر، دمای یک سیال خنک شونده که عمدتا آب است را به مقدار مورد نظر پایین می­ آورد. به زبان ساده چیلر دستگاهی است که آب سرد تولید می کند. به کمک این آب سرد می توان از طریق فن کویل ها و یا هواسازها، فضای داخلی هر ساختمانی را خنک کرد و یا از آن در ماشین آلات صنعتی و انواع فرایندهای تولید که به خنک کاری نیاز دارند، استفاده نمود. برای استفاده در سرمایش هوا نیازمند تجهیزاتی مانند فن کویل یا هواساز و ... هستیم.

چیلر تراکمی چیست؟

مصرف انرژی چیلر تراکمی جهت ایجاد برودت به صورت الکتریکی است، که با توجه به کار کمپرسور این انرژی را مصرف می­ کند. چیلر تراکمی ( Vapor Compression Chiller ) دارای تنوع زیادی از نظر ساختار، نوع کمپرسور، کندانسور، اواپراتور و کاربری و رنج دمای عملکرد است اما در چیلر تراکمی همانند تمام سیکل تبرید دارای ۴ قطعه اصلی کمپرسور - کندانسور - شیر - انبساط و اواپراتور هستند.

سیکل تبرید تراکمی

در سیکل تبرید ابتدا  کمپرسور گاز مبرد در سیکل حرکت داده و فشار گاز را افزایش داده لذا گاز مبرد در کندانسور در دمایی که در دسترس است شروع به تقطیر و به مایع تبدیل می­ شود. و این مایع فشار بالا به شیر انبساط می­ رسد. شیر انبساط افت فشار شدید در مسیر مایع ایجاد کرده و لذا در اثر این کاهش فشار باعث کاهش دما نیز می ­شود در اثر این کاهش فشار مقداری از مبرد تبخیر شده و مخلوط گاز و مایع مبرد وارد اواپراتور می­ شود و در اواپراتور سیال خنک شونده که معمولا آب است با انتقال گرمای خود به مبرد مایع، باعث تبخیر مایع مبرد در فشار ثابت می­ گردد. آب چیلر نیز چون گرمای زیادی از دست داده است جهت تهویه کویل های فن کویل و هواسازها به چرخش در می ­آید. و مبرد تبخیر شده دوباره وارد کمپرسور شده و سیکل تبرید چیلر را طی می­ کند.  انرژی مصرفی این چیلر ها برق است و در انواع جدید آن می توان چیلر را با پروتکل های ارتباطی به سیستم مدیریت هوشمند ساختمان متصل کرد.

در چیلر تراکمی اساس ایجاد تبرید، تبخیر در اواپراتور می­ باشد. در چیلر متناسب با دمای مورد نیاز که معمولا ۲ درجه سانتی گراد است، تبخیر مبرد انجام می­ گردد و فشار ساکشن چیلر براساس این دما نوع مبرد تعیین می گردد. به عنوان مثال در چیلری که مبرد R-22 کار می­کند فشار متناظر با تبخیر چیلر حدود ۶۵-۷۰ Psi است.

انواع چیلر تراکمی

چیلر های تراکمی را می توان بر اساس نوع کمپرسور یا نوع کندانسور طبقه بندی نمود. دسته بندی محبوب در کشور ایران طبقه بندی بر اساس نوع کندانسور است که چیلر ها را به آب خنک و هوا خنک تقسیم می کند که در ادامه ای این مقاله به بررسی چیلر براساس کندانسور می پردازیم. البته می توان این چیلر ها را بر اساس نوع کمپرسور هم تقسیم بندی کرد. کمپرسور اسکرو، کمپرسور اسکرال، کمپرسور سانتریفیوژ یک مرحله ای، کمپرسور سانتریفیوژ دو مرحله ای، کمپرسور پیستونی.

اجزای چیلر تراکمی

سیستم های برودتی دارای اجزا ریز و درشت بسیار است که در ادامه به معرفی اجزای اصلی آن و بررسی انواع آن پرداخته می شود.

کمپرسور COMPERESSOR

کمپرسور چیلر قلب اصلی و اولین جزو از اجزای چیلر تراکمی است که وظیفه گردش مبرد در سیکل برعهده آن است. کمپرسور  را برحسب نیاز در اندازه­ های مختلفی می ­سازند. حجم گازی که در کمپرسور چیلر باید متراکم شود بستگی به میزان جابه­ جایی کمپرسور توان موتور الکتریکی کمپرسور تعیین وابعاد آن مشخص می گردد. وظیفه کمپرسور ایجاد جریان مبرد، اختلاف فشار بین قسمت فشار بالا و فشار پایین را ایجاد می­ کند. که در اثر همین اختلاف فشار بین سمت فشار قوی و فشار ضعیف باعث ورود مایع از طریق اکسپنشن ولوبه اواپراتور چیلر است.

کمپرسور چیلر از نظر ساختار به چهار دسته زیر تقسیم می شوند.

• رفت برگشتی Reciprocating

• کمپرسور چرخشی Screw

• کمپرسور دوار و گریزاز مرکز centrifugal

• اسکرال scroll

کندانسور

یکی از تجهیزات اصلی چیلر می­ باشد که بعد از کمپرسور نصب می ­شود و مبرد دی سوپرهیت وارد کندانسور وارد آن می­ شود و به حالات مایع سابکول خارج می­ شود. در کندانسور مبرد در فشار ثابت تقطیر می­ گردد چیلر به دو دسته با کندانسور آبی و هوایی تقسیم می­ شوند.

اواپراتور

بعد از معرفی کمپرسور و کندانسور چیلر دیگر جز اصلی چیلر اواپراتور است. Evaporator  به معنای تبخیر کننده که در دستگاه برودتی با تبخیر مبرد گرمای آب را می گیرد و باعث خنک شدن آب چیلر می­ گردد. که به سه دسته shell&tube  brazed plated  و flooded تقسیم بندی می­ شود. طبق استاندارد ARI590  دمای آب ورود  به اواپراتور ˚F54 و خروج از آن˚F44  می­ باشد و به ازای هر تن تبرید 2.4 GPM  دبی آب چیلر در نظر گرفته می­ شود. در دستگاه های با ظرفیت های بالا و ظرفیت متوسط از اواپراتورهای پوسته لوله استفاده می ­گردد. در این اواپراتورهای پوسته لوله  مبرد در لوله های مسی و آب چیلر در پوسته جریان دارد.

شیر انبساط EXPANTION VALVE

آخرین جزء اصلی از اجزای سیستم چیلر تراکمی، شیر انبساط می­ باشد  وظیفه اول این شیر افت فشار که به تبع آن افت دما می ­شود و باعث می­ شود سیستم برودتی در دمای مورد نیاز از اواپراتور دمای آب را بگیرد وظیفه دوم تنظیم مقدار مبرد عبوری از اوپراتور براساس مقدار سوپرهیت (به اختلاف دمای گاز نهایی و دمای تبخیر سیال را سوپرهیت می­ گویند) گاز خروجی از اواپراتور است. در صورتی سوپرهیت کمتر از 3˚C برسد احتمال برگشت مبرد به صورت مایع به کمپرسور را دارد و باعث آسیب به کمپرسور می­ شود. و در صورتی این مقدار بیشتر از10˚C  برسد باعث داغ شدن سیم­پیچ و احتمال سوختن آن می­ شود. بنابراین تنظیم سوپرهیت یکی از مهمترین عوامل موثر در عمر چیلر است.

• کاربرد چیلرهای تراکمی

• کاربرد چیلرهای تراکمی در مصارف تهویه مطبوع

در سیستم ­های تهویه مطبوع، آب سرد تولیدی چیلر از طریق گردش درون مبدل­ های حرارتی هوایی (کویل) مانند فن­ کویل، کویل هواساز و ایرکولر، جریان هوای خنک مورد نیاز جهت سرمایش فضاهای مسکونی، اداری، تجاری و … را فراهم می­ کند. سپس بعد از انتقال انرژی (دریافت گرما)، جریان آب به چیلر بازگشته و مجدداً تا دمای استاندارد تهویه سرد می ­شود. طی فرایند سرمایش هوا در مبدل حرارتی، گرمای محسوس و نهان محیط (فضای تهویه ­شده)، هردو به هوای سرد خروجی مبدل، منتقل می­ شوند. به همین علت در مقایسه با سیستم های سرمایش تبخیری (کولر آبی، ایرواشر و زنت) هوای مطبوع و مناسب­ تری حاصل می­ گردد.

کاربرد چیلرهای تراکمی در مصارف برودت صنعتی

آب سرد تولیدی چیلر، جهت خنک­ کاری مکانیزم ­ها و ماشین ­آلات خطوط تولید، در گستره وسیعی از صنایع مختلف استفاده می ­شود. نمونه­ ای از این صنایع عبارتند از: پلاستیک، تزریق و ریخته­ گری، فلزکاری، جوشکاری، ماشین ­ابزار، پتروشیمی، داروسازی، بهداشت و درمان، تولید و نگهداری مواد غذایی ، صنایع کاغذ سازی و سیمان، و …

چیلرهای صنعتی بسته به میزان حساسیت و اهمیت ثبات در فرایند تولید کارخانه و همچنین با توجه به الزامات خنک­ کاری، می­ توانند به صورت مرکزی و یا غیر مرکزی، جهت تولید آب سرد مورد استفاده قرار می گیرند.

تقسیم بندی کمپرسورها در چیلرهای تراکمی

اسکرال (Scroll)

 کمپرسورهای اسکرال، معمولاً در چیلرهایی با ظرفیت های پایین وعمدتاً در پروژه های تهویه مطبوع به کار گرفته می شوند. این کمپرسورها شامل دو مارپیچ حلزونی (اسکرال) جهت افزایش فشار گاز مبرد می باشند. چنانکه اغلب یکی از آن ها ثابت بوده و دیگری بدون گردش، دایره وار می چرخد. به طوری که پس از مکش گاز مبرد به درون مارپیچ ثابت، بواسطه چرخش مارپیچ دوار، گاز بین دو مارپیچ متراکم شده، سرانجام از فضای میانی مارپیچ ثابت، تحت فشار خارج می گردد.

پیستونی (Reciprocating)

کمپرسورهای پیستونی، به طور معمول در ظرفیت های میانی کاربرد دارند. ضمن آنکه علاوه بر تهویه مطبوع، در برودت صنعتی نیز استفاده می شوند. این کمپرسورها از قطعات متحرک متعددی از جمله میل لنگ، شاتون، پیستون، سوپاپ و … تشکیل شده اند. به طوری که گاز مبرد از مسیر مانیفولد ورودی، همزمان با باز شدن سوپاپ مکش و پایین رفتن پیستون، به داخل سیلندر کشیده می شود. سپس با برگشتن پیستون به بالای سیلندر، گاز تحت فشار قرار گرفته و تؤامان با باز شدن سوپاپ تخلیه، خارج می گردد.

اسکرو (Screw)

کمپرسورهای اسکرو، غالباً در ظرفیت های بالا و برای مصارف تهویه مطبوع و نیز برودت صنعتی به کار گرفته می شوند. این کمپرسورها از دو مارپیچ دوار نر و ماده (اسکرو) برای ایجاد تراکم در گاز مبرد بهره می گیرند. به گونه ای که همزمان با چرخش مارپیچ ها، گاز ورودی در فضای بین دو مارپیچ محبوس شده و همراه با آنها می چرخد. سپس بعد از افزایش فشار در خروجی مارپیچ ها تخلیه می گردد.

سانتریفیوژ (Centrifugal)

کمپرسورهای سانتریفیوژ (گریز از مرکز)، به علت حجم جابجایی (Displacement) زیادی که دارند، معمولاً در ظرفیت های خیلی بالایی (هریک 300 تا 1800 کیلو وات) برای پروژه های بزرگ تهویه مطبوع و البته در برودت صنعتی نیز انتخاب می شوند. این کمپرسورها از طریق افزایش انرژی جنبشی گاز، فشار آن را بالا می برند. چنانکه گاز مبرد، پس از ورود به محفظه کمپرسور، به کمک پره های دوار و توسط نیروی گریز از مرکز، با حرکتی دایره ای سرعت گرفته و به سمت دیفیوزر پرتاپ می شود. در نهایت سرعت گاز با عبور از دیفیوزر به علت افزایش سطح مقطع جریان، کاهش یافته و به این ترتیب انرژی جنبشی گاز با کم شدن سرعت، به فشار تبدیل می گردد.

کندانسور آبی چیلر

این کندانسور یک مبدل پوسته و لوله (shell & tube ) که در آن آب خنک کننده در لوله و مبرد خروجی کمپرسور با ورود به پوسته کندانسور و برخورد به لوله های مسی که داخل آن آب برج خنک کننده جریان دارد باعث انتقال حرارت و تقطیر مبرد انجام می­ گیرد. در این کندانسورها برای افزایش سطح حرارتی، به لوله­ها فین زده می شود. طبق استاندار ARI590 دمای آب ورودی به کندانسور 85˚F و خروجی از آن 95˚F به ازای هر تن تبرید ظرفیت چیلر ،  3 GPM می­باشد.انتخاب چیلر آبی منوط به انتخاب برج خنک کننده است که برج خنک کننده باید با توجه به دمای WET BULB انتخاب گردید شود و در شرایطی اختلاف این دما، با دمای 85˚F کمتر از 3˚F  باشد نمی­ توان از این چیلر آبی  استفاده کرد و حتما باید از چیلر با کندانسور هوایی استفاده کرد.