معرفی و نحوه کار چیلرهای تراکمی

چیلرهای تراکمی به عنوان یکی از پرکاربردترین سیستم‌های سرمایشی در ساختمان‌های تجاری، صنعتی و مسکونی شناخته می‌شوند. این چیلرها با استفاده از سیکل تبرید تراکمی، گرمای موجود در سیال (معمولاً آب) را گرفته و آن را به محیط بیرون منتقل می‌کنند. انتخاب صحیح چیلر و شناخت اجزای آن، نقش مهمی در بهره‌وری انرژی و عملکرد سیستم تهویه مطبوع دارد.

با توجه به رشد روزافزون مصرف انرژی در بخش ساختمان، انتخاب سیستم‌های سرمایشی کارآمد و بهینه به یکی از دغدغه‌های اصلی مهندسان تاسیسات تبدیل شده است. در این مقاله به بررسی دقیق عملکرد چیلرهای تراکمی از جنبه‌های فنی پرداخته خواهد شد. در این راستا، ضمن معرفی ساختار و نحوه عملکرد این نوع چیلرها، به تحلیل مزایا و معایب آن‌ها پرداخته خواهد شد. همچنین انواع مختلف چیلرهای تراکمی از نظر تکنولوژی کمپرسور و سیستم دفع حرارت بررسی می‌گردند.

هدف نهایی این مقاله، فراهم کردن بستری برای تصمیم‌گیری آگاهانه در انتخاب سیستم‌های سرمایشی است که نه‌تنها عملکرد مؤثر داشته باشند، بلکه با اصول توسعه پایدار نیز هم‌راستا باشند.

معرفی و نحوه کار چیلرهای تراکمی

تنها یک وظیفه یکتا بر عهده چیلرهای تراکمی است و آن کاهش دمای آب است. البته به آب مواد شیمیایی (مثل گلیکول) افزوده می شود تا نقطه انجماد آب کمتر شده و از یخ زدگی آن جلوگیری شود. حال آب با دمای پایین را می توان در مصارف گوناگون از جمله سرمایش هوا یا سرمایش یک دستگاه صنعتی مورد بهره برداری قرار داد.

همه خنک کن های تراکمی،از واحد های کوچک و کم ظرفیت محلی پنجره ای که کولر گازی خوانده می شوند گرفته تا خنک کننده های تراکمی پرظرفیت مرکزی که معمولا چیلر تراکمی خوانده می شوند، دارای سه بخش اصلی کمپرسور(متراکم کننده)،کندانسور(تقطیر کننده) و اواپراتور(تبخیر کننده) هستند. البته از نقش شیر انبساط نیز جهت تکمیل چرخه تبرید تراکمی(Vapor Compression Cycle) نمی توان چشم پوشی کرد.

در خنک کن های تراکمی ماده مبرد(فرئون یا مبرد های جایگزیر فرئون)در فضای کم فشار اواپراتور تبخیر شده و گرمای تبخیر را از آب یا هوایی  که در تماس غیر مستقیم با آن قرار دارد می گیرد و موجب کاهش دمای آب یا هوای عبوری می شود.ماده مبرد پس از تبخیر به وسیله کمپرسور مکیده شده و با فشار به سمت کندانسور رانده می شود تا در کندانسور و در مجاورت غیر مستقیم با آب یا هوای خنک بار دیگر تقطیر شده و برای تبخیر مجدد و تولید سرما روانه اواپراتور گردد و چرخه سرمایش تراکمی را کامل کند.

نوع کمپرسورها همچون کمپرسورهای رفت و برگشتی، اسکرو و سانتریفیوژ، در کاربردهای مختلف بر اساس ظرفیت سیستم انتخاب می‌شوند.

در نهایت،آب سرد شده در دستگاه چیلر با پمپ و از طریق لوله کشی به واحدهای توزیع کننده هوای سرد مانند فن کویل های تعبیه شده در داخل ساختمان یا دستگاه هواساز ارسال می شود. لوله های منتقل کننده آب سرد به خوبی عایق کاری می شوند تا دمای آب سرد حفظ گردد و بدین ترتیب ضمن جلوگیری از افت راندمان ، از تشکیل برفک (یخ خشک) بر روی دیواره بیرونی لوله ها نیز جلوگیری شود. علاوه بر سرمایش ساختمان ها ، آب سرد می تواند در فرآیندهای صنعتی نیز به عنوان آب خنک کننده یک دستگاه مورد استفاده قرار بگیرد. آب سرد چیلر در مداری بسته جریان دارد. منظور از مدار بسته این است که آب درون لوله ها و کویل ها جریان پیدا کرده و راهی برای تبخیر آن وجود ندارد.

اجزای اصلی چیلر تراکمی

• کمپرسور: وظیفه فشرده‌سازی مبرد و افزایش فشار آن را دارد. انواع مختلفی از کمپرسورها شامل اسکرال، پیستونی، اسکرو و سانتریفیوژ وجود دارد.
• کندانسور: گرمای مبرد را به محیط بیرون منتقل کرده و آن را به حالت مایع در می‌آورد. این فرایند معمولاً با استفاده از هوا یا آب انجام می‌شود .
• شیر انبساط: شیر انبساط (اکسپنش ولو) یکی دیگر از اجزای مهم این دستگاه است و به این علت بعد از کندانسور بر سر راه مبرد قرار می گیرد که فشار را از روی مبرد با منبسط کردن، بردارد و مجدد آن را از حالت مایع به حالت گاز تبدیل کند. بعد از شیر انبساط حدود 25 درصد از مبرد از حالت مایع به حالت گاز تغییر فاز داده و مخلوطی از مبرد مایع و گازی به صورت کنترل شده وارد اواپراتور می شود.
• اواپراتور: گرمای آب یا هوای عبوری را جذب کرده و باعث خنک‌ شدن آن می‌شود . معمولا مبدل حرارتی اواپراتور از نوع پوسته و لوله است که از درون لوله های آن مبرد و از اطراف لوله ها آب عبور داده می شود. مخلوط مبرد مایع و گازی تمایل بسیار زیادی برای تبخیر کامل پیدا کرده و این بار با گرفتن حرارت از آب، آب را به شدت سرد می کند. سپس این آب سرد شده برای مصارف سرمایش هوای داخل ساختمان (به فن کویل یا هواساز) یا مصارف صنعتی با پمپ ارسال می شود. مبرد که به طور کامل تبخیر شده مجددا وارد کمپرسور شده و سیکل چیلر تراکمی تکرار می گردد.
• سایر اجزا: این مواردی که به طور خلاصه شرح دادیم تنها اجزای اصلی آن هستند و قطعات بسیار زیاد برقی و مکانیکی برای بهبود عملکرد و نیز کنترل بهینه آن در نظر گرفته می شود. از جمله مهمترین موارد می توان به تابلو برق و کنترلر PLC ، انواع شیرها ، کنترلرها و سنسورها در مسیر حرکت مبرد ، اجزایی برای بهبود راندمان و عملکرد آن در شرایط سخت ، رسیور ، اویل سپراتور ، فیلتر درایر ، سایت گلس ، پمپ آب ، مخزن و غیره اشاره کرد که وجود یا عدم وجود این اجزا و مشخصات فنی آن ها بر قیمت نهایی دستگاه تاثیرگذار است. تابلو برق شامل بخش های مهمی از جمله قطع کننده های جریان ، استارتر ، کنترل کننده سرعت ، نمایشگر و غیره می شود.

انواع چیلرها از نظر نوع کندانسور

همه چیلرهای تراکمی دارای کندانسور هستند ولی کندانسور آن ها ممکن است با آب خنک شود یا با هوا.کندانسور های آبی نیازمند اتصال به برج خنک کننده هستند تا آب خنک ارسالی از سوی برج موجب تقطیر ماده مبرد شود.اما در همه موارد از جمله مواردی که قرار است خنک کن تراکمی در منطقه ای مرطوب نصب شود،امکان استفاده از برج خنک کننده برای خنک سازی کندانسور وجود ندارد.

چیلر تراکمی آبی یا آب خنک(Water‑cooled):

در این نوع چیلرها،کندانسور در تماس با آب خنک‌کن (برج خنک‌کن) قرار گرفته و راندمان بالاتری نسبت به نوع هوایی دارد.،به طوری که این واحدها پر ظرفیت ترین واحدهای خنک کن تراکمی محسوب می شوند و در صورت استفاده از کمپرسور گریز از مرکز تا 700 تن تبرید بار سرمایش را تامین می کنند.در صورت استفاده از کمپرسورهای سیلندر-پیستونی،حداکثر ظرفیت 200 تن تبرید خواهد بود.این چیلرها نه تنها در فضای باز بلکه در فضای سرپوشیده که همان موتورخانه است نیز نصب می شوند و واحدی کاملا مرکزی محسوب می شوند.

چیلر تراکمی هوایی یا هوا خنک (Air‑cooled):

در این نمونه چیلر،کندانسور با هوای محیط سرد می‌شود و در پروژه‌هایی با نصب آسان کاربرد بیشتری دارد، اگرچه راندمان آن در دمای بالا کاهش می‌یابد.

اگر بخواهیم این دو نوع را نسبت به هم مقایسه ای کوتاه کنیم و بدانیم که در چه شرایطی باید از نوع هوا خنک و چه شرایطی باید از نوع آب خنک استفاده کرد باید به این چند نکته توجه کنیم که عبارتند از :

1. نوع آب خنک (آبی) در موتورخانه نصب می شود و بنابرین فضایی را در موتورخانه باید به آن اختصاص داد که مسلما در مواردی که بتوان از این فضا بهره برداری های دیگری نمود هر متر مربع آن ارزش بالایی خواهد داشت. مزیت نصب در موتورخانه این است که چیلر تراکمی آب خنک چون در معرض بارش باران ، نور آفتاب و غیره نیست عمر بالاتری نسبت به نوع هوا خنک (هوایی) که روی بام نصب می شود و معمولا در معرض بارش باران و نور آفتاب قرار دارد خواهد داشت. نوع هوا خنک چون بر روی بام نصب می شود بنابرین نگرانی بابت در نظر گرفتن یک فضای سرپوشیده خاص که معمولا هم ارزش بالایی دارد وجود نخواهد داشت.
2. نوع آب خنک دارای برج خنک کننده است و نگهداری و سرویس برج خنک کننده زیاد بوده و هزینه بر است ولی نوع هوا خنک چون برج خنک کننده ندارد به نگهداری و سرویس بسیار کمتری نیاز خواهد داشت. محدودیت هایی در استفاده از برج خنک کننده وجود دارد که مهمترین آنها این است که در شهرهایی که رطوبت هوا بالاست اصلا نمی توان برج خنک کننده استفاده کرد.
3. خنک کاری کندانسور چیلر با آب ، راندمان بالاتری نسبت به خنک کاری آن با هوا دارد و دفع گرما با آب نسبت به هوا بهتر انجام می شود و لذا نوع آبی راندمان بالاتری نسبت به نوع هوایی دارد.

انواع چیلرها از نظر نوع اواپراتور

همانگونه که کندانسورها ممکن است با آب یا هوا خنک شوند،اواپراتورها هم ممکن است از نوع آبی یا هوایی باشند.اواپراتور تجهیزات کم ظرفیت محلی به طور معمول هوا را خنک می کنند و اواپراتر چیلرهای تراکمی مرکزی آب را خنک می کند.

الف)در نوع اول هوای خنک بدون واسطه در اختیار فضای مورد نظر قرار می گیرد.بنابراین خنک های تراکمی محلی با اواپراتور هوا خنک فارغ از اینکه نوعی مولد محسوب شوند،گونه ای وسیله تبادل حرارت مستقیم نیز قلمداد می شوند.

ب) گروه دوم آب را خنک نموده و آن را در اختیار تجهیزات متعدد تبادل حرارت مانند فن کوئل ها و هواسازها که در سطح ساختمان به صورت پراکنده نصب شده اند قرار می دهند و از اینجا به بعد این وظیفه تجهیزات تبادل حرارت است که به کمک آب سرد جاری در کوئل،خود هوای فضای مورد نظر را خنک کنند.

مزایا و معایب چیلرهای تراکمی

مزایا

1.  COP نسبتاً بالای چیلرهای تراکمی (حدودا بین ۳ تا ۶ )، که بسته به طراحی سیستم، نوع مبرد و شرایط بهره‌برداری تفاوت دارد.
2. امکان کنترل دقیق دمای آب خروجی.
3. تنوع در انتخاب مبرد و کمپرسور مناسب برای هر پروژه به صلاحدید طراح.

معایب

1. مصرف برق بالاتر نسبت به اسپلیت ها و کولرهای آبی به‌ویژه در تجهیزات با کمپرسورهای الکتریکی.
2. استفاده از گازهای مبرد با پتانسیل گرمایش جهانی(GWP) بالا مانند HFC ها، که در صورت نشت منجر به افزایش اثرات گلخانه‌ای می‌شوند.
3. نیاز به نگهداری دوره‌ای کمپرسور و احتمال نشتی مبرد.

جمع بندی

چیلرهای تراکمی به‌عنوان یکی از اصلی‌ترین عناصر سیستم‌های سرمایشی در پروژه‌های بزرگ، عملکردی قابل‌اطمینان، راندمان بالا و انعطاف‌پذیری طراحی قابل‌توجهی ارائه می‌دهند. همان‌طور که در بخش‌های قبلی بررسی شد، چرخه تبرید تراکمی با وجود ساختار فنی نسبتاً ساده، به‌واسطه تنوع در انتخاب کمپرسور، نوع مبرد و نحوه خنک‌سازی، می‌تواند پاسخگوی نیاز طیف گسترده‌ای از ساختمان‌ها باشد.

چیلرهای تراکمی به دلیل راندمان مناسب، عملکرد پایدار و کاربرد وسیع، یکی از گزینه‌های محبوب در سیستم‌های تهویه مطبوع هستند. درک صحیح نحوه عملکرد و انتخاب مناسب نوع چیلر می‌تواند تأثیر زیادی در کاهش مصرف انرژی و افزایش عمر مفید تجهیزات داشته باشد .

در نهایت، انتخاب هوشمندانه‌ی نوع چیلر، بهره‌گیری از کنترل‌های پیشرفته و توجه به نگهداری دوره‌ای، نه تنها ضامن عملکرد مطمئن سیستم در بلندمدت خواهد بود، بلکه گامی مؤثر در راستای تحقق اهداف توسعه پایدار و کاهش ردپای کربن نیز به شمار می‌رود.