بررسی جامع و کامل چیلر تراکمی زیر صفر

در برخی مصارف صنعتی مانند دستگاه‌های لیزر، تزریق پلاستیک، صنایع غذایی و دارویی، نیاز به آبی با دمای پایین‌تر از ۵ درجه سانتی‌گراد وجود دارد که به این دسته از چیلرها اصطلاحاً چیلر زیر صفر گفته می‌شود. با توجه به این شرایط دمایی، باید از ترکیب آب و ضدیخ استفاده کرد؛ یکی از مهم‌ترین اجزای کنترلی در ساختار این چیلرها نیز همین محلول ضدیخ است. همان‌طور که می‌دانیم آب در دمای صفر درجه سانتی‌گراد شروع به انجماد می‌کند و انجماد آب می‌تواند به لوله‌های اواپراتور و مبدل‌ها آسیب جدی وارد کرده و باعث ترکیدگی آن‌ها شود. به همین دلیل در این کاربردها استفاده از محلول ضدیخ الزامی است. یکی دیگر از ملاحظات کارکرد این چیلرها، کنترل فشار کندانسور با تغییر دور فن‌های آن است؛ کاهش دمای آب چیلر باعث افت فشار می‌شود و این موضوع در چیلر تراکمی هوا خنک که کنترل دور فن نقش مستقیم‌تری در تنظیم فشار کندانسور دارد، اهمیت بیشتری پیدا می‌کند؛ به‌ویژه در فصل سرد سال که افت دما دوچندان می‌شود. اگر دمای آب مورد نیاز تا ۰ درجه سانتی‌گراد باشد، می‌توان تنها با تغییر ستینگ چیلرهای معمولی به این دما رسید؛ اما اگر نیاز دمایی از ۰ تا ۱۰- درجه سانتی‌گراد باشد، باید تغییرات اساسی در تابلو برق، قطعات کنترلی و همچنین ظرفیت شیر انبساط و کمپرسور اعمال شود.

جهت تعیین سیال در گردش برای کاربردهای چیلرهای تراکمی زیرصفری می‌توان از محلول آب و سدیم کلراید یا کلسیم کلراید برای کاهش دمای انجماد سیال استفاده کرد؛ با این حال، به دلیل احتمال رسوب‌گذاری این نمک‌ها، امروزه بیشتر از محلول‌های ضدیخ شیمیایی استفاده می‌شود.

چیلر صنعتی زیر صفر

لازم به ذکر است چیلرهای زیر صفر تراکمی با چیلر خانگی و همچنین چیلرهای جذبی تفاوت اساسی دارند؛ در چیلر خانگی نیازی به دمای زیر صفر نیست و از کمپرسورهای معمولی استفاده می‌شود، در حالی که در چیلر جذبی دو اثره به‌جای کمپرسور، از انرژی حرارتی برای تولید سرما بهره می‌گیرند. برای آشنایی بیشتر با اجزای این نوع سیستم می‌توانید مقاله بررسی جامع اجزای چیلر جذبی را مطالعه کنید.

ضد یخ و تاثیر آن بر چیلر

اگر دمای آب تغذیه چیلر کمتر از ۱۰ درجه سانتی‌گراد (معادل ۵۰ درجه فارنهایت) باشد، می‌توان از ضدیخ در سامانه چیلر استفاده کرد. اگر چیلر زیر صفر در دمایی پایین‌تر از این مقدار بدون ضدیخ رها شود، انجماد سریع در اواپراتور رخ می‌دهد، کارایی سیستم به‌شدت افت می‌کند و حتی ممکن است آسیب جدی به چیلر وارد شود. بسیار مهم است که همیشه از حداقل مقدار ضدیخ مورد نیاز استفاده شود؛ زیرا غلظت بالای این ماده تنها ظرفیت سیستم سرمایش را کاهش می‌دهد. اگر ضدیخ با غلظت مناسب در سیستم به کار رود، از بروز انجماد سریع جلوگیری می‌کند و خرابی احتمالی چیلر را کاهش می‌دهد. برای اطمینان از عملکرد صحیح این تجهیزات، بازرسی دوره‌ای و تعمیر و نگهداری چیلر تراکمی نقش مهمی در جلوگیری از خوردگی و کاهش راندمان سیستم دارد.

اتیلن گلیکول و پروپیلن گلیکول دو ماده اصلی مورد استفاده در ضدیخ‌ها هستند و در بازه دمایی ۵۱- تا ۱۷۷ درجه سانتی‌گراد عملکرد خوبی دارند. اتیلن گلیکول کاربرد بیشتری دارد، اما در کاربردهایی مانند صنایع دارویی یا تماس با مواد غذایی و آب آشامیدنی، پروپیلن گلیکول خالص انتخاب صحیحی است. محلول‌های ضدیخ رنگی یا دارای بازدارنده‌های خاص سمی هستند و نباید در چنین مواردی به کار روند؛ برخی استانداردها نیز استفاده از اتیلن گلیکول را مجاز نمی‌دانند و تنها پروپیلن گلیکول را الزامی می‌کنند. برخی سازندگان، گلیکول‌های حاوی بازدارنده‌های شیمیایی ارائه می‌دهند که به کاهش خوردگی سیستم کمک می‌کند؛ با این حال حتی با استفاده از این گلیکول‌ها، سیستم‌های آب سرد با لوله و اتصالات آهنی، فولادی یا گالوانیزه همچنان در معرض خوردگی قرار دارند. توصیه می‌شود در ساخت این سیستم‌ها از این متریال‌ها اجتناب شود و به‌جای آن از لوله و اتصالات مسی، فولاد ضدزنگ یا پی‌وی‌سی استفاده گردد. ضدیخ‌ها موادی خورنده هستند و در فهرست مواد سمی سازمان حفاظت محیط زیست ایالات متحده (EPA) نیز قرار دارند.

تاثیرات چیلر با اضافه کردن ضدیخ

هنگام تعیین ظرفیت یک چیلر زیر صفر، باید تغییر کارایی سیستم ناشی از افزودن گلیکول را در نظر گرفت. با افزایش غلظت گلیکول، انرژی خروجی سیستم کاهش می‌یابد؛ به همین دلیل معمولاً استفاده از غلظت بیش از این مقادیر توصیه نمی‌شود:

• حداکثر ۵۰ درصد وزنی برای پروپیلن گلیکول
• حداکثر ۴۰ درصد وزنی برای اتیلن گلیکول

هنگام تعیین اندازه مناسب چیلر برای کاربرد مورد نظر، خروجی چیلر باید با توجه به افت خاصیت انتقال حرارت گلیکول نسبت به آب تصحیح شود. نرخ جریان پمپ‌ها نیز باید با افزایش غلظت گلیکول کمتر در نظر گرفته شود؛ همچنین افت فشار کلی سیستم و اندازه پمپ‌های موجود در فرآیند باید متناسب با افزایش گلیکول تعیین گردند.

انتخاب چیلر زیر صفر تراکمی

در قدم اول در انتخاب چیلر زیر صفر باید نوع کندانسور (آب‌خنک یا هواخنک) مشخص شود. در کندانسور آبی، دمای معادل فشار اشباع حدود ۱۰۵ درجه فارنهایت است و کندانسور آبی معمولاً به همراه یک برج خنک‌کننده کار می‌کند؛ برای بررسی کامل‌تر می‌توانید مقاله بررسی جامع انواع برج‌های خنک‌کننده را مطالعه کنید. در چیلرهای کندانسور هوایی نیز دمای معادل فشار اشباع تقریباً ۱۲۰ درجه فارنهایت است. برای تعیین مدل چیلر تراکمی زیر صفر باید چهار فاکتور زیر مشخص شوند:

1. دمای ضد یخ ورودی به چیلر
2. دمای ضد یخ خروجی از چیلر
3. ظرفیت برودتی مورد نیاز برحسب تن تبرید
4. دمای آب ورودی به برج خنک‌کننده در چیلرهای تراکمی آب‌خنک

ابتدا مطابق با نیاز برودتی و دمای آب مورد نیاز فرآیند صنعتی، بار برودتی و دمای خروجی از چیلر تعیین می‌شود؛ سپس با استفاده از دمای خروجی از چیلر، درصد ترکیب اتیلن گلیکول مطابق نمودار ۱ مشخص می‌گردد.

نمودار ۱ – درصد اتیلن گلیکول برحسب دما

در قدم بعد، با استفاده از درصد وزنی مخلوط اتیلن گلیکول در نمودار ۲، ضریب تصحیح اواپراتور (k) به دست می‌آید.

نمودار ۲

با قرار دادن k در فرمول زیر، مقدار دبی مورد نیاز برحسب GPM به دست می‌آید:

در این فرمول، دبی برحسب GPM، تغییر دمای ضدیخ برحسب فارنهایت و Q بار برودتی برحسب تن تبرید است.

حال با استفاده از نمودار ۳ و برحسب دمای محلول ضدیخ خروجی از چیلر، ضریب تصحیح چیلر برای ظرفیت برودتی و مصرف انرژی به دست می‌آید.

نمودار ۳

ضریب به‌دست‌آمده بر ظرفیت مورد نیاز تقسیم می‌شود تا ظرفیت نامی چیلر مشخص گردد؛ سپس با این ظرفیت، مدل مناسب از جدول انتخاب چیلر در بار نامی موردنظر انتخاب می‌شود. در این مرحله، نوع کمپرسور نیز اهمیت دارد؛ چیلرهای زیر صفر معمولاً با کمپرسور اسکرو یا چیلر تراکمی اسکرال ساخته می‌شوند و انتخاب بین آن‌ها به ظرفیت برودتی و دمای موردنیاز بستگی دارد؛ برای مقایسه دقیق‌تر می‌توانید مقاله بررسی جامع تفاوت‌های چیلر اسکرال با چیلر اسکرو را مطالعه کنید.

جدول بالا مطابق با چیلرهای تراکمی شرکت کریر در حالت‌های مختلف دمای کندانس تهیه شده است؛ برای کندانسورهای هوایی دمای ۱۲۰ درجه فارنهایت و برای کندانسور آبی دمای متناظر ۱۰۵ درجه فارنهایت در نظر گرفته شده که هر دو در جدول مشخص شده‌اند.

منبع ذخیره چیلر

ایجاد رابطه دقیق بین حجم آب در گردش و عملکرد چیلر زیر صفر بسیار مهم است. آب در گردش شامل اواپراتور، لوله‌ها، کویل‌های هواساز و مبدل‌ها و در صورت لزوم منبع ذخیره می‌شود؛ برای آشنایی بیشتر با این کویل‌ها می‌توانید مقاله بررسی کامل کویل‌های کندانسورهای هوایی چیلر و سردخانه را مطالعه کنید. اگر حجم منبع آب چیلد پایین باشد، کمپرسور دچار خاموش‌روشن‌شدن‌های مکرر می‌شود که به چیلر آسیب می‌رساند. حداقل مقدار منبع ذخیره باید به ازای هر تن تبرید ۳ گالن در دقیقه (GPM) در نظر گرفته شود؛ در صورتی که حجم آب کمتر از این مقدار باشد، باید با در نظر گرفتن منبع ذخیره در چیلر این کمبود جبران گردد. در چیلرهای زیر صفر صنعتی، در نظر گرفتن منبع ذخیره یکی از مهم‌ترین ارکان طراحی است. حجم منبع آب در گردش در چیلرهای صنعتی زیر صفر معمولاً بین ۶ تا ۱۰ گالن در دقیقه به ازای هر تن تبرید است؛ این بازه به دلیل تغییرات بار برودتی و دبی آب است. توصیه می‌شود این منبع در خط برگشت چیلر نصب شود.

چیلر به همراه منبع ذخیره

در مجموع، طراحی درست یک چیلر زیر صفر به سه فاکتور کلیدی وابسته است: انتخاب و غلظت مناسب ضدیخ، محاسبه دقیق ظرفیت با توجه به افت راندمان ناشی از گلیکول، و در نظر گرفتن منبع ذخیره کافی متناسب با بار برودتی. رعایت این نکات فنی از انجماد ناخواسته در اواپراتور جلوگیری کرده و عمر مفید تجهیزات را افزایش می‌دهد.