معرفی انواع چیلر تراکمی و بررسی اجزای آن

چیلرها از مهم‌ترین سیستم‌های سرمایشی هستند که در سراسر دنیا، در ابعاد مختلف، برای ایجاد سرمایش استفاده می‌شوند. در این مقاله به معرفی عملکرد چیلر تراکمی می‌پردازیم.

چیلر چیست؟

چیلر در لغت به معنی «آب سردکن» است؛ با چیلر، دمای یک سیال خنک‌شونده که عمدتاً آب است، به مقدار مورد نظر پایین آورده می‌شود. آب سرد شده در مصارف صنعتی و تهویه مطبوع مورد استفاده قرار می‌گیرد.

چیلرها در صنایع برای خنک‌کاری ماشین‌آلات، مواد و محصولات، و در تهویه مطبوع برای خنک کردن هوای عبوری از فن کویل یا هواساز استفاده می‌شوند. چیلرها به دو دسته چیلر تراکمی و جذبی تقسیم می‌شوند: در چیلر جذبی، انرژی مصرفی به‌صورت حرارت است، و در چیلر تراکمی، مصرف به‌صورت انرژی الکتریسیته است.

در چیلرهای جذبی، برودت با استفاده از وکیوم و تبخیر مبرد، جذب آن به‌وسیله ماده جاذب و احیای آن به‌وسیله حرارت ایجاد می‌شود. برای مطالعه بیشتر می‌توانید مقاله‌های انواع چیلر جذبی و طرز کار چیلر جذبی را مطالعه بفرمایید.

چیلر تراکمی چیست؟

در چیلر تراکمی، مصرف انرژی برای ایجاد برودت به‌صورت الکتریکی است که با توجه به کار کمپرسور این انرژی مصرف می‌شود. چیلر تراکمی، همانند تمام سیکل‌های تبرید، دارای ۴ قطعه اصلی است: کمپرسور، کندانسور، شیر انبساط و اواپراتور؛ و مبرد که شریان حرکت سیکل تبرید است.

سیکل تبرید تراکمی

در سیکل تبرید، ابتدا کمپرسور گاز مبرد را در سیکل حرکت داده و فشار گاز را افزایش می‌دهد؛ در نتیجه گاز مبرد در کندانسور، در دمایی که در دسترس است، شروع به تقطیر کرده و به مایع تبدیل می‌شود. این مایع فشار بالا به شیر انبساط می‌رسد. شیر انبساط افت فشار شدیدی در مسیر مایع ایجاد می‌کند و در اثر این کاهش فشار، دما نیز کاهش می‌یابد؛ مقداری از مبرد تبخیر شده و مخلوط گاز و مایع مبرد وارد اواپراتور می‌شود.

در اواپراتور، سیال خنک‌شونده (که معمولاً آب است) با انتقال گرمای خود به مبرد مایع، باعث تبخیر مایع مبرد در فشار ثابت می‌شود. آب چیلر نیز چون گرمای زیادی از دست داده، برای تهویه کویل‌های فن کویل و هواسازها به چرخش درمی‌آید. مبرد تبخیرشده دوباره وارد کمپرسور می‌شود و سیکل تبرید چیلر را طی می‌کند.

در چیلر تراکمی، اساس ایجاد تبرید، تبخیر در اواپراتور است. در چیلر، متناسب با دمای مورد نیاز که معمولاً ۲ درجه سانتی‌گراد است، تبخیر مبرد انجام می‌شود و فشار ساکشن چیلر بر اساس این دما و نوع مبرد تعیین می‌گردد؛ برای مثال، در چیلری که مبرد R-22 دارد، فشار متناظر با تبخیر چیلر حدود ۶۵ تا ۷۰ psi است.

اجزای چیلر تراکمی

سیستم‌های برودتی دارای اجزای ریز و درشت بسیاری هستند که در ادامه به معرفی اجزای اصلی آن و بررسی انواع آن پرداخته می‌شود.

کمپرسور (Compressor)

کمپرسور چیلر، قلب اصلی و اولین جزء از اجزای چیلر تراکمی است که وظیفه گردش مبرد در سیکل بر عهده آن است. کمپرسور را بر حسب نیاز در اندازه‌های مختلفی می‌سازند؛ حجم گازی که در کمپرسور چیلر باید متراکم شود، بستگی به میزان جابه‌جایی کمپرسور دارد و توان موتور الکتریکی کمپرسور، ابعاد آن را تعیین می‌کند. وظیفه کمپرسور ایجاد جریان مبرد و اختلاف فشار بین سمت فشار بالا و فشار پایین است؛ در اثر همین اختلاف فشار بین سمت فشار قوی و فشار ضعیف، مایع از طریق اکسپنشن وارد اواپراتور چیلر می‌شود.

کمپرسور چیلر از نظر ساختار به چهار دسته زیر تقسیم می‌شود:

• رفت و برگشتی (Reciprocating)
• چرخشی (Screw)
• دوار و گریز از مرکز (Centrifugal)
• اسکرال (Scroll)

انواع کمپرسور

کمپرسورهای سیلندر پیستونی

اولین گروه از کمپرسورهای چیلر تراکمی است که عملکرد آن بسیار شبیه به موتور خودرو است. مبرد در داخل سیلندر، توسط پیستون از طریق حرکت رفت‌وبرگشتی متراکم می‌شود؛ نیرو از سوی موتور، از طریق میل‌لنگ به شاتون و پیستون منتقل می‌شود. دو قطعه اصلی این کمپرسور، سوپاپ ساکشن و دیسشارژ هستند: جریان مبرد وارد کمپرسور شده و پس از عبور از الکتروموتور (که باعث خنک‌کاری آن نیز می‌شود)، وارد محفظه کارتر می‌شود.

در حرکت رو به پایین پیستون، مبرد وارد محفظه پیستون می‌شود؛ وقتی فشار داخل سیلندر با فشار محفظه کمپرسور برابر شود، سوپاپ بسته می‌شود و در این هنگام پیستون به پایین‌ترین حد کورس خود رسیده است. سپس با حرکت به سمت بالا، پیستون گاز مبرد را فشرده می‌کند و در نهایت با باز شدن سوپاپ دیسشارژ، مبرد از کمپرسور خارج می‌شود؛ این حرکت به‌صورت متناوب تکرار می‌شود و سیکل تبرید جریان پیدا می‌کند.

مرحله تراکم کمپرسور رفت و برگشتی

مرحله مکش کمپرسور رفت و برگشتی

از جمله ویژگی‌های این کمپرسور، حرکت رفت‌وآمدی، تعمیرات آسان، و جریان مبرد پالسی است که باعث ارتعاش زیاد می‌شود. محدوده ظرفیت این کمپرسور حدود ۱۰ تا ۸۰ اسب بخار است؛ معروف‌ترین نمونه آن، کمپرسور سیلندر پیستونی کریر است که با ظرفیت ۴۰، ۳۰ و ۲۵ اسب بخار در چیلرهای ظرفیت متوسط استفاده شده است. برای اطلاعات فنی بیشتر درباره انواع کمپرسور چیلر تراکمی می‌توانید مقاله اختصاصی ما را مطالعه کنید.

چیلر با کمپرسور رفت و برگشتی

کمپرسور اسکرو

این کمپرسورها برای چیلر تراکمی با ظرفیت ۴۰ تا ۱۲۰۰ تن تبرید مورد استفاده قرار می‌گیرند و بازده آن‌ها بالاتر از چیلرهای با کمپرسور سیلندر پیستونی است. این کمپرسور دارای دو روتور نر و ماده است که با چرخش آن‌ها، مبرد متراکم می‌شود.

کمپرسور اسکرو

مسیر تراکم مبرد در کمپرسور چیلر در شکل زیر نمایان شده است:

تراکم مبرد در کمپرسور اسکرو

از جمله ویژگی‌های کمپرسور اسکرو این است که با انواع مبرد HCFC و HFC برای چیلر سازگار است.

با توجه به اهمیت جهت چرخش روتورها، این کمپرسورها جهت چرخش را کنترل می‌کنند؛ همچنین دارای محافظ PTC برای دمای روغن و سیم‌پیچ هستند که در صورتی که دمای سیم‌پیچ بالاتر رود، باعث خروج دستگاه برودتی از مدار می‌شود.

مزیت دیگر این کمپرسورها، سیستم راه‌اندازی اتوماتیک بی‌بار در حالت استارت است. این ویژگی نه‌تنها باعث کاهش گشتاور راه‌اندازی می‌شود، بلکه تنش وارده بر قطعات مکانیکی و بار برق مصرفی را نیز کاهش می‌دهد.

کنترل ظرفیت

روش کنترل ظرفیت در این کمپرسورها با روغن و حرکت اسلایدر مرتبط است؛ این کنترل به دو حالت مرحله‌ای و پیوسته قابلیت انجام دارد.

هیدرولیک کمپرسور چیلر

در شکل بالا، شماتیک هیدرولیک کمپرسور چیلر تراکمی مورد استفاده نشان داده شده است. با حرکت اسلایدر، جریان گاز ساکشن کنترل می‌شود: اگر اسلایدر کاملاً به سمت ساکشن حرکت کند (در شکل بالا به سمت چپ برود)، فضای کاری بین پروفایل‌ها با گاز ساکشن پر می‌شود. هرچقدر اسلایدر به سمت دیسشارژ حرکت کند، حجم پروفایل کمتر می‌شود؛ هرچقدر مبرد کمتری گرفته شود، جریان و در نتیجه ظرفیت نیز کاهش می‌یابد.

اسلایدر توسط پیستون هیدرولیکی کنترل می‌شود: اگر شیر CR4 باز باشد، فشار روغن در محفظه روغن افزایش یافته و اسلایدر به سمت ساکشن حرکت می‌کند و ظرفیت برودتی افزایش می‌یابد. اگر شیرهای CR1، CR2 و CR3 باز باشند، فشار روغن روی پیستون هیدرولیک کاهش می‌یابد، اسلایدر به سمت دیسشارژ حرکت می‌کند و ظرفیت سرمایی کاهش می‌یابد.

نسبت تراکم (Compression Ratio – CR)

نسبت تراکم، نسبت فشار مطلق دهش به فشار مطلق مکش کمپرسور چیلر تراکمی است. در شرایط کارکرد، این نسبت تراکم فشار با نسبت حجم متراکم‌شده رابطه مستقیم دارد.

اگر ساختار داخلی کمپرسور متناسب با نسبت فشار نباشد، عملکرد کمپرسور از بازده آیزنتروپیک فاصله می‌گیرد و دمای کمپرسور و انرژی مصرفی آن بالاتر می‌رود. از مزیت چیلر تراکمی با کمپرسور اسکرو، قابلیت انتخاب این نسبت با توجه به نوع مبرد و منطقه دمایی نصب آن است.

هرچه نسبت تراکم بالاتر باشد، باید کمپرسور با نسبت حجمی بالاتر انتخاب شود؛ در غیر این صورت بازده چیلر پایین می‌آید. جدول زیر پیشنهاد کمپانی هنبل برای انتخاب نسبت تراکم کمپرسور چیلر تراکمی با توجه به شرایط مختلف کارکردی است:

برگرفته از کمپانی هنبل جهت انتخاب نسبت تراکم

چیلر تراکمی با کمپرسور اسکرو

کمپرسور اسکرال

این کمپرسورها در چیلر تراکمی با ۶۰ تن تبرید مورد استفاده قرار می‌گیرند و در حالت دوتایی یا سه‌تایی، تا قدرت‌های بالاتر نیز کاربرد دارند.

این کمپرسور فاقد سوپاپ دهش و مکش است و از دو صفحه چرخشی متحرک و ثابت تشکیل شده است؛ پس از ورود گاز، از دو طرف صفحات به سمت مرکز آن هدایت شده و متراکم می‌شود و از وسط صفحه خارج می‌شود.

فرآیند تراکم در کمپرسور اسکرال

از جمله ویژگی‌های این کمپرسور، حرکت دورانی، ارتعاش نسبتاً کم قطعات متحرک، و داشتن جریان مبرد یکنواخت است.

این کمپرسور دارای بازده بالا و جریان برق کمتر است؛ این کمپرسورها قابل تعمیر نیستند و جهت چرخش نیز در آن‌ها بسیار مهم است. برای بررسی و رفع مشکلات کمپرسور چیلر می‌توانید از خدمات تعمیر کمپرسور به‌فیکس استفاده کنید.

کمپرسور اسکرال

کندانسور

کندانسور یکی از تجهیزات اصلی چیلر است که بعد از کمپرسور نصب می‌شود؛ مبرد دی‌سوپرهیت وارد کندانسور شده و به حالت مایع ساب‌کول از آن خارج می‌شود. در کندانسور، مبرد در فشار ثابت تقطیر می‌گردد. چیلر به دو دسته با کندانسور آبی و هوایی تقسیم می‌شود.

چیلر با کندانسور آبی

این چیلرها دارای کندانسور پوسته‌لوله‌ای هستند و مبرد به‌وسیله آب خنک می‌شود؛ آب کندانسور چیلر پس از گرم شدن به برج خنک‌کننده رفته و در برج، به‌وسیله تبخیر از روی سطوح در برخورد با جریان هوا خنک شده و دوباره به‌وسیله پمپ به کندانسور چیلر برمی‌گردد.

شماتیک لوله کشی چیلر آبی

کندانسور آبی چیلر

این کندانسور یک مبدل پوسته و لوله (Shell & Tube) است که در آن آب خنک‌کننده در لوله جریان دارد و مبرد خروجی کمپرسور با ورود به پوسته کندانسور و برخورد به لوله‌های مسی که آب برج خنک‌کننده در آن‌ها جریان دارد، باعث انتقال حرارت و تقطیر مبرد می‌شود. در این کندانسورها برای افزایش سطح حرارتی، به لوله‌ها فین زده می‌شود.

انتخاب چیلر آبی منوط به انتخاب برج خنک‌کننده است؛ برج خنک‌کننده باید با توجه به دمای Wet Bulb انتخاب شود. در شرایطی که اختلاف این دما با دمای 85°F کمتر از 3°F باشد، نمی‌توان از چیلر آبی استفاده کرد و حتماً باید از چیلر با کندانسور هوایی استفاده کرد.

چیلر آب خنک

چیلر هواخنک

به چیلری گفته می‌شود که مبرد داخل کندانسور آن به‌وسیله هوا خنک می‌شود؛ فن‌های آکسیال با عبور جریان هوا از روی کویل کندانسور که با توجه به موقعیت، به‌صورت زوج‌زوج کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند، چیلر هواخنک را می‌سازند. چیلرهای هوایی محدودیت چیلر آبی را ندارند و فقط اختلاف دمای Dry Bulb با دمای تقطیر، معیار اصلی تعیین آن است. هرچه این اختلاف بزرگ‌تر باشد، می‌توان از چیلر با کندانسور کوچک‌تری استفاده کرد.

چیلر هواخنک یکپارچه

کندانسور هوایی

کندانسور هوایی مبدلی است که گاز داغ خروجی کمپرسور چیلر وارد آن می‌شود و به‌وسیله عبور هوا از روی آن، مبرد تقطیر می‌شود. برای بالا بردن ضریب انتقال حرارت، از فین که به‌صورت صفحاتی از جنس آلومینیوم یا مس است استفاده می‌گردد؛ معمولاً در مناطق مرطوب و دارای خوردگی، از فین مسی استفاده می‌شود.

چیلر با کندانسور هوایی دارای دو روش نصب است: یکپارچه یا دوپارچه. برای مثال، وقتی چیلر داخل موتورخانه نصب می‌شود، برای نصب کندانسور در فضای بیرون باید با استفاده از لوله‌کشی مسی، چیلر به کندانسور متصل شود.

کندانسور هوایی جهت اتصال به چیلر

تفاوت چیلر با کندانسور هوایی و آبی

در چیلر آبی باید برج خنک‌کننده، سیستم لوله‌کشی برج و پمپ‌ها را در نظر گرفت؛ بنابراین هزینه موتورخانه بالاتر می‌رود و تعمیر چیلر و نگهداری موتورخانه نیز پرهزینه‌تر می‌شود. همچنین اسیدشویی سالیانه چیلر با توجه به سختی آب، و مصرف آب برای برج خنک‌کن چیلر نیز باید در نظر گرفته شود.

در مقابل، چیلر با کندانسور آبی مصرف برق کمتر و راندمان بالاتری نسبت به چیلر هوایی دارد؛ چون ضریب انتقال حرارت هوا کمتر از آب است، در چیلر با کندانسور هوایی برای جبران آن باید حجم کندانسور هوایی نسبت به کندانسور آبی بزرگ‌تر باشد که همین عامل، قیمت اولیه چیلر هواخنک را بالاتر می‌برد.

در کمپرسورهای چیلر، هرچه دمای تقطیر برای سیستم پایین‌تر طراحی شود، توان برودتی افزایش می‌یابد.

دیاگرام سیکل تبرید

شکل بالا، دیاگرام مودی یک سیکل تبرید چیلر را با دماهای مختلف تقطیر کمپرسور نشان می‌دهد؛ هرچه دمای تقطیر بالاتر رود، ظرفیت تبرید کمتر می‌شود.

در شکل‌های زیر، مقایسه یک کمپرسور CSH6553-60Y در دمای تقطیر چیلر با کندانسور هوایی و آبی، با مبرد R134 از نظر ظرفیت تبرید، مصرف انرژی و COP انجام شده است.

خروجی نرم افزار بیتزر جهت شرایط چیلر آبی

خروجی نرم افزار بیتزر جهت شرایط چیلر هوایی

همان‌طور که در دو شکل بالا مشخص است، یک کمپرسور یکسان چیلر در شرایط دمای کندانس متفاوت، دارای ظرفیت برودتی و جریان مصرفی متفاوتی است. بنابراین در انتخاب چیلر با کندانسور هوایی یا آبی، باید تمام شرایط اقلیمی، کارکردی و مصرف انرژی در نظر گرفته شود.

اواپراتور

بعد از معرفی کمپرسور و کندانسور چیلر، دیگر جزء اصلی چیلر، اواپراتور است. Evaporator به معنای تبخیرکننده است که در دستگاه برودتی، با تبخیر مبرد، گرمای آب را می‌گیرد و باعث خنک شدن آب چیلر می‌شود. اواپراتور به سه دسته Shell & Tube، Brazed Plate و Flooded تقسیم‌بندی می‌شود.

اواپراتور پوسته لوله

اواپرتور مستغرق

در دستگاه‌های با ظرفیت بالا از اواپراتور مستغرق، و در چیلرهای با ظرفیت متوسط از اواپراتورهای پوسته‌لوله استفاده می‌شود. در اواپراتورهای پوسته‌لوله، مبرد در لوله‌های مسی و آب چیلر در پوسته جریان دارد؛ در اواپراتور مستغرق، برعکس، مبرد در پوسته و آب در لوله‌های مسی جریان دارد.

شیر انبساط (Expansion Valve)

آخرین جزء اصلی از اجزای سیستم چیلر تراکمی، شیر انبساط است. وظیفه اول این شیر، ایجاد افت فشار است که به تبع آن افت دما نیز رخ می‌دهد و باعث می‌شود سیستم برودتی در دمای مورد نیاز، از اواپراتور دما بگیرد. وظیفه دوم آن، تنظیم مقدار مبرد عبوری از اواپراتور بر اساس مقدار سوپرهیت گاز خروجی از اواپراتور است.

شیر انبساط چیلر تراکمی

سوپرهیت چیست؟

به اختلاف دمای گاز نهایی و دمای تبخیر سیال، سوپرهیت گفته می‌شود:

t – t_e = Superheat

سوپرهیت گاز خروجی از اواپراتور باید بین ۵ تا ۸ درجه سانتی‌گراد باشد. برای اندازه‌گیری سوپرهیت، ابتدا باید دمای خروجی از اواپراتور اندازه‌گیری شود و همچنین فشار اواپراتور نیز اندازه گرفته شود؛ سپس دمای متناظر با فشار اواپراتور از جدول دما-فشار مبرد چیلر خوانده می‌شود و حاصل اختلاف این دو دما، سوپرهیت را نشان می‌دهد.

نحوه اندازه گیری سوپر هیت در چیلر

در صورتی که سوپرهیت کمتر از ۲ درجه سانتی‌گراد برسد، احتمال برگشت مبرد به‌صورت مایع به کمپرسور وجود دارد و باعث آسیب به کمپرسور می‌شود. اگر این مقدار بیشتر از ۱۰ درجه سانتی‌گراد برسد، باعث داغ شدن سیم‌پیچ و احتمال سوختن آن می‌شود. بنابراین تنظیم سوپرهیت یکی از مهم‌ترین عوامل مؤثر در عمر چیلر است.

نمونه از برگشت مایع که باعث خوردگی شاتون و میل لنگ شده

سوختگی در سیم پیچ چیلر به علت بالا بودن سوپر هیت

عملکرد مکانیکی شیر انبساط بر طبق سه فشار عمل می‌کند: فشار اول، فشار بخار بالب است که معمولاً از جنس مبرد داخل سیکل دستگاه برودتی است و فشار بخار متناظر با دمای خروجی اواپراتور را اعمال می‌کند؛ فشار دوم، فشار اواپراتور است؛ و فشار سوم، فشار فنر اکسپنشن است. در حالتی که اکسپنشن به تعادل کارکردی رسیده و سوپرهیت ثابت شده باشد، معادله فشار به شکل زیر است:

بررسی فشار سوپرهیت

در حال حاضر، شیرانبساط‌هایی که برای چیلر تراکمی استفاده می‌شوند بیشتر الکترونیکی هستند؛ این شیرها به همراه یک کیت الکترونیکی، سنسور دمایی و فشار، استپ موتور شیر را کنترل کرده و مقدار مبرد و سوپرهیت را تنظیم می‌کنند.

شیر الکترونیکی به همراه استپ موتور

کیت کنترل الکترونیکی شیر انبساط

از معروف‌ترین شیرهای مورد استفاده در سیستم‌های برودتی می‌توان به کرل، دانفوس و اسپرلن اشاره کرد؛ شکل‌های شیر و کیت آن‌ها در تصاویر بالا قابل مشاهده است. این کیت با خواندن فشار (با استفاده از سنسور فشار) و دما (با استفاده از سنسور دمایی)، استپ موتور شیر را کنترل کرده و سوزن شیر را باز یا بسته می‌کند.

دیاگرام شیر الکترونیکی در چیلر

از جمله مزیت شیر الکترونیکی نسبت به مکانیکی، می‌توان به کنترل دقیق سوپرهیت اشاره کرد که به دلیل برنامه‌پذیر بودن آن‌ها، قابلیت‌های بسیاری را فراهم می‌کند.

در ادامه می‌توانید ویدیوی زیر را در رابطه با اجزا و نحوه کارکرد چیلر تراکمی مشاهده کنید.

bitzer carrier :منابع

تحریریه گروه فنی مهندسی به فیکس

برداشت از مطالب سایت تنها با ذکر منبع و لینک سایت مجاز می‌باشد