عملکرد چیلر

چیلر (chiller) دستگاهی است که به وسیله سیکل تراکمی بخار (vapor compression cycle) و یا سیکل جذبی (absorption cycle) حرارت را از یک سیال خارج می‌کند و به محیط انتقال می‌دهد. پس از آن این سیال می‌تواند در یکمبدل حرارتی (heat exchanger) سیرکوله شود تا برای خنک کردن هوا و یا دیگر تجهیزات مورد نیاز به کار رود. به عنوان یک محصول جانبی، تبرید انرژی حرارتی تلف شده‌ای تولید می‌کند که باید از محیط خارج شود و یا برای ایجاد راندمان بیش‌تر آن را برای اهداف گرمایشی بازیافت کرد. موارد مهم در طراحی و انتخاب چیلرها، شامل عملکرد چیلر، راندمان، تعمیر و نگهداری و اثرات زیست محیطی چرخه عمر محصول می‌باشد.

چیلرهای تراکمی

چیلرهای تراکمی اثر سرمایش خود را از طریق سیکل رانکین معکوس (reverse-Rankine) که به آن تراکم بخار (vapor-compression) نیز می‌گویند تولید می‌کنند.

کمپرسورهای تبرید متداول شامل کمپرسورهای رفت و برگشتی، اسکرال، اسکرو و یا سانتریفوژ می‌شوند. با خنک‌کاری تبخیری (evaporative cooling)، ضریب عملکرد یا COP چیلرهای تراکمی بسیار بالا می‌باشد که معمولا 4.0 یا بیش‌تر خواهد بود. برای یک سیستم چیلر، COP عبارت است از نسبت ظرفیت تبرید به توان ورودی به سیستم چیلر.

کمپرسور

کمپرسورهای تبرید (refrigeration compressors) در واقع یک پمپ برای گاز مبرد هستند. ظرفیت کمپرسور و در نتیجه ظرفیت سرمایش چیلر بر حسب کیلووات ورودی (KW)، اسب بخار ورودی (HP) و یا دبی حجمی‌ (m3/hr) سنجیده می‌شود. مکانیزم تراکم گاز مبرد در انواع کمپرسورها متفاوت است و هر کدام کاربرد خاص خود را دارند.

در چیلرهای تراکم بخاری چهار نوع کمپرسور مورد استفاده قرار می‌گیرند؛

کمپرسورهای رفت و برگشتی (reciprocating compressors)

کمپرسورهای اسکرال (scroll compressors)

کمپرسورهای پیچی (screw compressors)

کمپرسورهای سانتریفوژ (centrifugal compressors)

کمپرسورها می‌توانند توسط موتورهای الکتریکی (electric motors)، توربین‌های بخار (steam turbines) و یا توربین‌های گاز (gas turbines) به حرکت در آیند. کمپرسورها می‌توانند دارای یک موتور یک‌پارچه با کمپرسور (integrated motor) و یا درایو باز (open drive) باشند که اتصال موتور به کمپرسور توسط نوعی اتصال مکانیکی فراهم می‌شود. کمپرسورها همچنین می‌توانند هرمتیک (hermetic) دارای اتصال جوشی و یا نیمه هرمتیک (semi-hermetic) دارای اتصال پیچی باشند.

 کمپرسور هرمتیک

 کمپرسور نیمه هرمتیک پیستونی

در سال‌های اخیر، استفاده از تکنولوژی درایو سرعت متغیر (Variable Speed Drive) یا VSD راندمان چیلرهای تراکمی را افزایش داده است. در حال حاضر VSDها بر روی کمپرسورهای روتاری اسکرو و اسکرال استفاده می‌شوند.

کندانسور

کندانسورها (condensers) می‌توانند هوا-خنک (air-cooled condenser)، آب-خنک (water-cooled condenser) و یا تبخیری (evaporative condenser) باشند. کندانسور یک مبدل حرارتی (heat exchanger) است امکان انتقال حرارت از گاز مبرد به آب یا هوا را فراهم می‌کند. کندانسورهای هوا-خنک برای جریان مبرد از تیوب‌های (tubes) مسی و برای جریان هوا از فین‌های (fins) آلومینیومی استفاده می‌کنند. کندانسورها دارای قیمت‌های مختلف متریال و راندمان‌های متفاوت هستند. ضریب عمل‌کرد (COP) کندانسورهای سرمایش تبخیری بسیار بالا و معمولا 4.0 یا بیش‌تر می‌باشد.

شیر انبساط

وسیله انبساطی (expansion device) یا وسیله اندازه‌گیری مبرد (refrigerant metering device) یا RMD جریان مبرد مایع را محدود می‌کند که باعث افت فشار آن و تبخیر بخشی از مبرد می‌شود. این تبخیر باعث جذب حرارت از مبردهای مایع مجاور می‌شود. RMD بلافاصله قبل از اواپراتور قرار می‌گیرد، به طوری که گاز سرد درون اواپراتور می‌تواند حرارت را از آب درون اواپراتور جذب کند. در سمت خروجی اواپراتور یک سنسور برای RMD قرار می‌گیرد که اجازه می‌دهد تا RMD جریان مبرد را بر اساس طراحی چیلر تنظیم کند.

اواپراتور

اواپراتورها (evaporators) می‌توانند مبدل حرارتی پلیتی (plate type evaporator) و یا مبدل حرارتی پوسته و لوله (shell and tube type evaporator) باشند. اواپراتور یک مبدل حرارتی (heat exchanger) است که امکان انتقال انرژی حرارتی جریان آب به گاز مبرد را فراهم می‌کند. در طول تغییر حالت مایع باقی مانده به گاز، مبرد بدون تغییر دما مقدار زیادی حرارت را جذب می‌کند.

چیلرهای جذبی

سیکل ترمودینامیکی یک چیلر جذبی، (absorption chiller) به وسیله یک منبع حرارتی کار می‌کند.

معمولا این حرارت به وسیله بخار، آب گرم و یا احتراق به چیلر تحویل داده می‌شود. در مقایسه با چیلرهای تراکمی، یک چیلر جذبی نیاز به برق بسیار کمی دارد که بسیار به ندرت بالاتر از 15 کیلووات مصرف ترکیبی برای هر دو پمپ محلول (solution pump) و پمپ مبرد (refrigerant pump) می‌شود. البته حرارت ورودی مورد نیاز آن بزرگ و COP آن اغلب در حدود 0.5 برای چیلر تک اثره (single-effect) و 1.0 برای چیلر دو اثره (double-effect) می‌باشد.

برای ظرفیت‌های تناژ برابر، یک چیلر جذبی نسبت به یک چیلر تراکمی نیاز به برج خنک کن (cooling tower) بسیار بزرگ‌تری دارد. از نظر راندمان انرژی چیلرهای جذبی در جایی دارای مزیت هستند که در آن حرارت ارزان با کیفیت و یا حرارت اتلافی به راحتی در دسترس باشد. در آب و هوای بسیار آفتابی، از انرژی خورشیدی (solar energy) برای کارکرد چیلرهای جذبی استفاده شده است.

سیکل جذبی تک اثره از آب به عنوان مبرد و لیتیوم برماید (lithium bromide) به عنوان جاذب (absorbent) استفاده می‌کند. گرایش زیادی برای استفاده از این دو ماده با یک‌دیگر در سیکل تبرید جذبی وجود دارد. تمامی مراحل فرآیند در نزدیکی خلاء کامل رخ می‌دهد.

یک چیلر جذبی دارای قطعات کلیدی زیر است.

پمپ محلول (Solution Pump)

محلول رقیق لیتیوم برماید با غلظت 63 درصد در پایین پوسته ابزوربر (absorber) جمع‌آوری می‌شود. از این‌جا یک پمپ محلول هرمتیک (hermetic) محلول را از یک مبدل حرارتی پوسته و لوله حرکت می‌دهد تا پیش‌گرم شود. 

ژنراتور (Generator)

پس از خروج از مبدل حرارتی، محلول رقیق به پوسته (shell) بالایی حرکت می‌کند. این محلول دسته‌ای از تیوب‌ها را در بر می‌گیرد که حامل بخار یا آب داغ هستند. بخار یا آب داغ، حرارت را به حوضچه‌ای از محلول لیتیوم برماید رقیق منتقل می‌کند. محلول جوشیده می‌شود و بخار مبرد را به سمت کندانسور به بالا می‌فرستد و لیتیوم برماید غلیظ را باقی می‌گذارد. محلول لیتیوم برماید غلیظ به سمت مبدل حرارتی پایینی می‌رود و در آن‌جا توسط محلول رقیق پمپ شده به ژنراتور خنک می‌شود. 

کندانسور (Condenser)

بخار مبرد از میان مه‌زداها (mist eliminators) به تیوب باندل (tube bundle) کندانسور می‌رسد. بخار مبرد بر روی تیوب‌ها کندانس می‌شود. حرارت توسط آب خنک‌کاری که درون تیوب‌ها در حرکت است خارج می‌شود. مبرد مایع شده در یک محفظه در پایین کندانسور جمع‌آوری می‌شود.

اواپراتور (Evaporator)

مایع مبرد از کندانسور در پوسته بالایی به اواپراتور در پوسته پایینی حرکت می‌کند و بر روی تیوب باندل اواپراتور اسپری می‌شود. به دلیل خلاء شدید پوسته پایینی (فشار مطلق 6 میلی‌متر جیوه یا 0.8 کیلوپاسکال)، مایع مبرد در دمای حدود 3.9 درجه سانتی‌گراد اثر تبرید ایجاد می‌کند.

ابزوربر (Absorber)

زمانی که بخار مبرد از اواپراتور به ابزوربر منتقل می‌شود، محلول لیتیوم برماید قوی از ژنراتور به بالای تیوب باندل ابزوربر اسپری می‌شود. لیتیوم بروماید قوی در واقع بخار مبرد را به محلول جذب می‌کند که این باعث ایجاد خلاء شدیدی در اواپراتور می‌شود. جذب بخار مبرد به محلول لیتیوم برماید همچنین باعث تولید حرارت می‌شود که توسط آب خنک‌کاری خارج می‌شود. اکنون این محلول رقیق لیتیوم برماید در پایین پوسته پایینی جمع‌آوری می‌شود و از آن‌جا به پمپ محلول جریان می‌یابد. در این‌جا سیکل سرمایشی تکمیل شده و فرآیند دوباره آغاز می‌شود.

خنک‌کاری چیلرها

آب سرد برای سرمایش و رطوبت‌زدایی از هوا در تجهیزات با سایز متوسط تا بزرگ تجاری، صنعتی و سازمانی به کار می‌رود. چیلرهای آبی (water chillers) می‌توانند آب-خنک (water-cooled)،  هوا-خنک (air-cooled) و یا با خنک‌کاری تبخیری (evaporatively cooled) باشند. چیلرهای آب-خنک از برج‌های خنک کن (cooling towers) استفاده می‌کنند که در مقایسه با چیلرهای هوا-خنک باعث بهبود راندمان ترمودینامیکی چیلر می‌شوند. این به دلیل خروج حرارت در دمای نزدیک به حباب مرطوب هوا، به جای دمای بالاتر و گاهی بسیار بالاتر حباب خشک می‌باشد. چیلرهای با سرمایش تبخیری دارای راندمان بسیار بالاتری نسبت به چیلرهای هوا-خنک اما پایین‌تر از چیلرهای آب-خنک هستند.

 چیلر هوا-خنک

چیلرهای آب-خنک معمولا برای نصب و کار در محیط داخلی در نظر گرفته شده‌اند و توسط یک سیکل آب کندانسور (condenser) مجزا خنک می‌شوند و به برج‌های خنک‌کنی متصل هستند که حرارت را به اتمسفر می‌فرستند. 

 چیلر با خنک‌کاری تبخیری

چیلرهای هوا-خنک و چیلرهای با خنک‌کاری تبخیری با هدف نصب و عملیات در فضای باز در نظر گرفته شده‌اند. چیلرهای هوا-خنک به طور مستقیم توسط هوای محیط خنک می‌شوند. هوای محیط به صورت مکانیکی از میان کویل کندانسور گردش می‌کند و حرارت را به اتمسفر می‌فرستد. چیلرهای با خنک‌کاری تبخیری نیز به همین صورت کار می‌کنند، با این تفاوت که یک غبار آب را بر روی کویل کندانسور می‌پاشند تا به خنک‌کاری کندانسور کمک نمایند. این کار باعث کارآمد‌تر شدن دستگاه نسبت به دستگاه‌های هوا-خنک معمولی می‌شود. با هر کدام از این نوع چیلرهای هوا-خنک و یا با خنک‌کاری تبخیری نیازی به برج خنک‌کنی که در فاصله زیاد قرار می‌گیرد وجود ندارد.

  چیلر هوا-خنک

اگر در جایی آب سرد از منابع آب نزدیک قابل دسترس باشد، می‌توان از آن به طور مستقیم برای خنک‌کاری، به جای و یا مکمل برج‌های خنک کن استفاده کرد.

 چیلر آب-خنک 

تکنولوژی چیلر صنعتی

چیلرهای صنعتی معمولا به صورت سیستم‌های کامل پکیج شده شامل یونیت چیلر، کندانسور، ایستگاه پمپ با پمپ سیرکولاسیون، شیر انبساط، سیستم خاموشی بدون جریان و کنترل آب سرد داخلی عرضه می‌شوند. یک تانک داخلی به حفظ دمای آب سرد کمک می‌کند و مانع از جهش دمای ناگهانی می‌شود.

چیلرهای صنعتی با مسیر بسته (closed-loop) یک سیال خنک‌کاری تمیز و یا آب تمیز همراه با افزودنی‌های نگه‌دارنده را در شرایط دما و فشار ثابت سیرکوله می‌کنند تا پایداری و اثربخشی تجهیزات آب-خنک را افزایش دهند. این آب از چیلر به نقطه استفاده و بالعکس جریان می‌یابد.

چیلرهای صنعتی حلقه باز (open-loop) که رواج کم‌تری دارند، دمای مایع درون یک تانک باز و یا چاهک را با چرخاندن مداوم آب خنک‌کن در آن کنترل می‌کنند. مایع از مخزن کشیده شده، به چیلر پمپ می‌شود و به مخزن باز می‌گردد. یک ترموستات (thermostat) قابل تنظیم دمای مایع را اندازه می‌گیرد و آن‌قدر مسیر چیلر را سیرکوله می‌کند تا دمای ثابت درون مخزن حفظ شود. اگر تفاوت دمای آب بین ورودی و خروجی بالا باشد، باید از یک تانک آب بزرگ خارجی برای ذخیره آب سرد استفاده شود. در این حالت آب سرد به طور مستقیم از چیلر به محل مصرف نمی‌رود، بلکه به مخزن آب خارجی می‌رود که به عنوان نوعی بافر دمایی (temperature buffer) عمل می‌کند. مخزن آب سرد بسیار بزرگ‌تر از حجم آب‌های داخلی است. آب از مخزن خارجی به محل مصرف و از آن‌جا به مخزن (و نه به چیلر) باز می‌گردد. 

یکی از تحولات جدید در چیلرهای آبی صنعتی، استفاده از خنک‌کاری با آب به جای خنک‌کاری با هوا می‌باشد. در این مورد کندانسور مبرد داغ را با هوای محیط خنک نمی‌کند، بلکه از آب خنک شده در برج خنک کن (cooling tower) استفاده می‌کند. این کار امکان کاهش انرژی مورد نیاز را تا بیش از 15 درصد فراهم می‌کند و همچنین اجازه می‌دهد تا کاهش قابل توجهی در اندازه چیلر به وجود آید که دلیل آن سطح کوچک کندانسورها آبی و عدم وجود فن می‌باشد. علاوه بر این، عدم وجود فن باعث کاهش قابل توجه سطح سر و صدا نیز می‌شود.

کاربرد چیلر در تهویه مطبوع

در سیستم‌های تهویه مطبوع، معمولا آب سرد در مبدل‌های حرارتی (heat exchangers) و یا کویل‌های (coils) درون دستگاه‌های هواساز (air handling units) و یا دیگر دستگاه‌های ترمینالی (terminal devices) که هوا را درون فضای مربوطه سرد می‌کنند توزیع می‌شود و پس از آن آب دوباره به سمت چیلر باز می‌گردد تا سرد شود. این کویل‌های سرمایشی حرارت محسوس و نهان را از هوا به آب سرد منتقل می‌کنند و بنابراین جریان هوا را سرد و معمولا رطوبت‌زدایی می‌کنند. چیلرهای معمولی برای کاربردهای تهویه مطبوع دارای رتبه ظرفیت سرمایش بین 15 و 1500 تن تبرید (180،000 تا 18،000،000 BTU/h و یا 53 تا 5300 کیلووات) هستند و حداقل یک سازنده وجود دارد که می‌تواند چیلرهایی با ظرفیت‌های تا 6000 تن تبرید تولید کند. دمای آب سرد بر حسب الزامات طراحی می‌تواند بین 1.5 تا 7 درجه سانتی‌گراد باشد.

کاربرد چیلر در صنعت

در کاربردهای صنعتی، آب سرد و یا مایعات دیگر از چیلر به فرآیند و یا تجهیزات آزمایشگاهی پمپ می‌شود. چیلرهای صنعتی برای سرمایش کنترل شده محصولات، مکانیزم‌ها و ماشین‌آلات کارخانه در صنایع مختلف استفاده می‌شوند. چیلرهای صنعتی در صنعت پلاستیک در تزریق و قالب‌گیری دمشی (blow molding)، روغن برش‌کاری فلزات، تجهیزات جوش‌کاری (welding equipment)، ریخته‌گری تحت فشار (die-casting) و ابزار ماشین‌کاری، فرآیندهای شیمیایی، فرمولاسیون دارویی، فرآوری مواد غذایی و آشامیدنی، فرآوری کاغذ و سیمان، سیستم‌های خلاء (vacuum systems)، منابع تغذیه (power supplies) و نیروگاه‌های تولید برق (power generation stations)، تجهیزات آنالیز، نیمه‌رسانا‌ها، هوای فشرده (compressed air) و سرمایش گاز استفاده می‌شوند. چیلرها همچنین برای خنک‌کاری تجهیزات تخصصی پرحرارت مانند دستگاه ام آر آی و لیزر استفاده می‌شوند.

چیلرهای صنعتی می‌توانند متمرکز باشند که در آن یک چیلر به نیازهای سرمایش مختلف سرویس می‌دهد و یا غیر متمرکز باشند که در آن هر کاربرد و یا دستگاه، چیلر خاص خود را دارد. هر رویکرد دارای مزایای خود می‌باشد. همچنین می‌توان از ترکیبی از چیلرهای متمرکز و غیر متمرکز استفاده کرد، به خصوص اگر ملزومات سرمایش برای برخی از کاربردها و یا نقاط استفاده مشابه باشند ولی برای همه نقاط مشابه نباشد.

چیلرهای غیر متمرکز معمولا دارای اندازه و ظرفیت سرمایش کوچک هستند که معمولا بین 0.2 تا 10 تن تبرید می‌باشد. چیلرهای متمرکز معمولا ظرفیت‌های مختلفی از ده تن تا صدها یا هزاران تن دارند.

انتخاب چیلر

در زمان جستجو برای چیلرهای صنعتی مشخصات زیر را باید در نظر داشت:

• هزینه کل چرخه عمر
• منبع تغذیه
• رتبه IP چیلر
• ظرفیت سرمایش چیلر
• ظرفیت اواپراتور
• جنس اواپراتور
• نوع اواپراتور
• جنس کندانسور
• ظرفیت کندانسور
• دمای محیط
• نوع موتور فن
• سطح سر و صدا
• جنس لوله‌کشی داخلی
• تعداد کمپرسور
• نوع کمپرسور
• تعداد مدارات تبرید
• ملزومات مایع خنک‌کن
• دمای سیال خروجی
• COP (نسبت بین ظرفیت تبرد بر حسب تن تبرید به انرژی مصرف شده توسط کل چیلر به کیلووات). برای چیلرهای متوسط تا بزرگ COP باید بین 3.5 تا 7.0 باشد که اعداد بزرگ‌تر به معنی راندمان بالاتر می‌باشد. راندمان چیلر اغلب بر حسب کیلووات در هر تن تبرید (KW/RT) مشخص می‌شود.

مشخصات مهم پمپ (pump) فرآیندی که باید در نظر داشت عبارت‌اند از:

• جریان فرآیند
• فشار فرآیند
• جنس پمپ
• جنس سیل مکانیکی (mechanical seal) شافت
• ولتاژ موتور
• کلاس الکتریکی موتور
• رتبه IP موتور
• اگر دمای آب سرد کم‌تر از 5- درجه سانتی‌گراد باشد، باید از یک پمپ مخصوص استفاده کرد که توانایی پمپاژ غلظت بالای اتیلن گلیکول را داشته باشد.

دیگر مشخصات مهم عبارت‌اند از:

• اندازه و جنس مخزن آب داخلی
• جریان الکتریکی بار کامل

ویژگی‌های پانل کنترلی که باید هنگام انتخاب بین چیلرهای صنعتی در نظر گرفته شود، عبارت‌اند از:

• پانل کنترلی محلی (local control panel)
• پانل کنترلی راه دور (remote control panel)
• نمایان‌گر عیب (fault indicator)
• نمایان‌گر دما (temperature indicator)
• نمایان‌گر فشار (pressure indicator)

امکانات اضافی عبارت‌اند از:

• آلارم اضطراری
• بای‌پس گاز داغ

 منبع : مکانیزم