چیلر

چیلر ماشینی است که از طریق یکی از سیکل­ های تبرید و مبدل­ های حرارتی گرما را از یک مایع می زداید و برای خنک کردن تجهیزات و یا جریان­ های فرایندی، استفاده می کند.

سرمایش (تبرید) عبارت است از ایجاد شرایطی برای کاهش دمای یک محیط یا یک ماده، نسبت به محیط آن. به بیان دیگر تبرید، انتقال گرما از یک محیط با دمای پایین تر به یک محیط با دمای بالاتر است. این تعریف پایه گذار مبحث سرمایش در صنعت تهویه مطبوع است.

در گذشته، سرمایش به کمک نگهداری یخ و برف فشرده در محفظه­ های مخصوص فراهم می­ شد. نزدیک به 200 سال پیش مایکل فارادی از طریق مجموعه آزمایشاتی موفق به ارائه مبنایی برای کار ماشین های جذبی شد. اولین ماشین تبرید دستی بر این مبنا در انگلستان تحولی در صنعت تبرید به وجود آورد. بعدها سیکل جذبی با استفاده از آمونیاک بعنوان ماده جاذب و آب به عنوان مبرد توسط فردیناند کاره مورد استفاده قرار گرفت، که مبنای اولین چیلر جذبی بود.

از مهمترین الزامات هر ساختمانی و به عبارتی قلب تپنده­ ی آن سیستم تهویه مطبوع آن است، این مهم در ساختمان های بزرگ با استفاده از چیلر انجام می پذیرد، چیلر ماشینی است که گرما را از یک مایع و از طریق یک چرخه بخار فشرده (Vapor Compression) و یا تبرید جذبی (Absorption Refrigeration) می­زداید که این مایع نهایتاً پس از عبور از یک مبدل حرارتی برای خنک کردن تجهیزات، و یا یک جریان فرآیندی مانند هوا یا آب استفاده می­ شود. از طرفی گرمای تلف شده به عنوان یک محصول جانبی شناخته می­ شود که بایستی در محیط آزاد شده و یا برای یک فرآیند گرمایشی استفاده شود. موارد مورد توجه در طراحی و انتخاب چیلرها شامل عملکرد، بازده، تعمیر و نگهداری، و اثرات زیست محیطی چرخه عمر محصول است. چیلرها معمولاً در دو نوع چیلر جذبی و  چیلر تراکمی ساخته می شوند که عموما در موارد زیر کاربرد دارند:

دستگاه‌های سرد كننده خانگی

تهویه مطبوع و تهویه صنعتی

نگهداری مواد غذایی

صنایع شیمیایی

چیلر تراكمی:

در چیلر تراکمی گاز ابتدا توسط کمپرسور، متراکم می‌گردد. این گاز سپس به کندانسور وارد شده توسط آب یا هوای محیط، خنک شده و به مایع تبدیل می‌شود. این مایع با عبور از شیر انبساط یا لوله موئین وارد خنک کننده (اواپراتور) می‌شود که در فشار کمتری قرار دارد، این کاهش فشار باعث تبخیر مایع گردیده و مایع سردکننده با گرفتن حرارت نهان تبخیر خود از محیط، باعث ایجاد برودت در موادی که با قسمت خنک کننده در ارتباط هستند می‌شود. پس از آن گاز حاصل از تبخیر، به کمپرسور منتقل می‌شود. با عبور سریع بخار در خلاء کندانسور، به علت تبدیل بخار به آب و اختلاف حجم بین بخار و آب، مایع ایجاد می‌گردد. اجزای یک سیکل تبرید تراکمی و نحوه کارکرد آن به شرح زیر است:

كمپرسور (Compressor): بخار را از اواپراتور مكیده و دما و فشار آن را به حدی افزایش می‌دهد كه بتواند با عامل تقطیر معمولی تقطیر شود.

لوله گاز داغ یا تخلیه (Discharge Line): خار پر فشار و با دمای زیاد را از خروجی كمپرسور به كندانسور می‌رساند.

كندانسور (Condenser): سطح تبادل حرارتی لازم برای انتقال حرارت از بخار مبرد گرم به عامل تقطیر را فراهم می‌نماید. كندانسورها در زمره مبدل­های حرارتی قرار می­ گیرند كه در آنها حرارت بخار مبرد به عامل تقطیر (مثلاً هوا یا آب) منتقل شده و در اثر آن بخار مبرد ابتدا تا دمای اشباع سرد شده و سپس به مایع تبدیل می‌شود. به طور كلی كندانسورها بر سه نوع هستند:

• کندانسور هوایی (هوا خنک)
• کندانسور آبی (آب خنک): كندانسورهای دو لوله‌ای، پوسته و كویل، پوسته و لوله
• كندانسور تبخیری

در كندانسورهای هوایی از هوا به عنوان عامل تقطیر استفاده می­ شود در حالی كه در كندانسورهای آبی عامل تقطیر مبرد آب است. در كندانسورهای تبخیری، از هر دو عامل  هوا و آب استفاده می‌شود. در كندانسورهای تبخیری، دمای هوای عبوری مقداری افزایش می‌یابد اما تقطیر مبرد عمدتاً از تبخیر آب پاشیده شده بر روی كندانسور ناشی حاصل شده و هوا جهت افزایش شدت تبخیر با رفع بخار آب بکار می­رود. جریان هوا در كندانسور های هوایی ممكن است به دو صورت جریان طبیعی (كاربرد یخچال ها و فریزرهای خانگی) و  جریان اجباری (جریان هوا به وسیله فن یا دمنده) باشد.

مخزن ذخیره مایع (Receiver Tank): تقطیر شده را ذخیره می‌نماید و جریان ثابتی از مایع مورد نیاز را به اواپراتور برقرار می‌كند.

لوله مایع (Liquid Line): مبرد مایع را از مخزن ذخیره به کنترل كننده ماده مبرد می‌رساند.

شیر انبساط (Exp. Valve): مقدار مناسبی از مبرد را به اواپراتور می‌رساند و فشار آن را طوری كاهش می‌دهد كه مایع بتواند در دمای پایین مورد نظر، تبخیر شود.

اواپراتور (Evaporator): یک مبدل حرارتی (Heat Exchanger) است که امکان انتقال انرژی حرارتی مایع  به گاز مبرد را فراهم می­ کند. در طول تغییر حالت مایع  به گاز، مبرد بدون تغییر دما مقدار زیادی حرارت را جذب می­ کند. اواپراتورها از نظر ساختمان به 3 دسته زیر تقسیم می‌شوند و موارد دیگر از مشتقات این سه نوع است:

پوسته و لوله (Shell & Tube type Evaporator): معمولاً از لوله‌های فولادی و مسی ساخته می‌شوند. از این نوع كویل برای سرد كردن مایعات استفاده می‌شود.

صفحه‌ای (Plate type Evaporator): از دو صفحه فلزی كه بر روی آن شیارهایی برای عبور مبرد ایجاد شده‌ ساخته شده‌ است. این نوع اواپراتورها به دلیل امكان شكل پذیری به فرم دلخواه، تولید اقتصادی و سهولت تمیز كردن در یخچالها و فریزرهای خاگی مورد استفاده قرار می‌گیرد. نوع دیگر، از لوله‌ای واقع بین دو صفحه فلزی تشكیل شده است صفحات در انتها به یكدیگر جوش می‌شوند. در این اواپراتورها برای ایجاد تماس حرارتی مطلوب بین صفحات و لوله حامل مبرد، فضای بین صفحات را با محلول اتكتیك پر می‌كنند.

اواپراتورهای فین دار (Finned type Evaporator): در جاهایی که انتقال حرارت جابجایی اندک باشد برای جبران این کمبود با افزایش سطح تماس از طریق اضافه نمودن پره یا فین­، انتقال حرارت را افزایش می­ دهند.

لوله مكش (Suction Line): بخار كم فشار را از اواپراتور به مكش كمپسور انتقال می‌دهد.

انواع چیلر تراکمی:

به طور کلی چیلرهایی که از سیکل تراکمی بهره می­برند به دو نوع کنداسور هوایی (هوا خنک) و کنداسور آبی (آب خنک) و سانتریفیوژ (Centrifugal) تقسیم می­ شوند. این طبقه­ بندی­ها نیز خود با تنوع در نوع کمپرسور مورد استفاده در سیکل به دسته­ های دیگری تقسیم می­ شوند. امروزه متداولترین آنها  چیلر اسکرو (Screw) و چیلر اسکرال (Scroll) است.

چیلر اسکرو:

نسل جدیدی از چیلر در صنعت تهویه مطبوع، چیلر اسکرو هستند. وجه تسمیه آن استفاده از کمپرسورهای مارپیچ یا اسکرو است. از ویژگیهای مهم این کمپرسورها قابلیت کنترل ظرفیت، راندمان بالا نسبت به کمپرسورهای رفت و برگشتی، جریان راه اندازی پایین، تعداد قطعات کم و … است

چیلر اسکرال

چیلر اسکرال نام خود را از کمپرسور بکار رفته در سیکل تبرید خود گرفته­ است. ساختمان این کمپرسورها از دو حلزون غیر هم محور تشکیل شده که یکی ثابت و دیگری متحرک است. این کمپرسور نیز مانند نوع اسکرو از نسل جدید و جایگزین کمپرسورهای رفت و برگشتی است.

تهویه مطبوع مرکزی در ساختمان­های مسکونی، اداری و تجاری که 60% مصرف انرژی ساختمان را به خود اختصاص می­ دهد از جمله مسائل چالشی برای صنعت تهویه مطبوع و سرمایش به حساب می ­آید که باید در جهت کنترل و کاهش مصرف و صرفه جویی واقعی انرژی آن راهی یافت.

مزایای چیلر تراکمی نسبت به چیلر جذبی:

• چیلر تراکمی با توجه به نوع ماده مبرد و داشتن کمپرسور در ظرفیت‌های برابر، از چیلر جذبی کم‌حجم‌ترند و جای کم تری اشغال می‌کنند. در واقع از لحاظ وزنی و حجمی چیلر تراکمی آب خنک نسبت به چیلر جذبی فضای کمتری در موتورخانه اشغال می کند و از لحاظ حجمی و وزنی در حدود ½ چیلر مشابه جذبی وزن و حجم دارند.
• ضریب عملکرد (COP) بالاتر نسبت به چیلر جذبی مشابه.
• مصرف انرژی اولیه کمتر
• مصرف آب کمتر
• امکان استفاده بهینه از سیستم‌های جذبی خصوصا در ظرفیت‌های زیاد در مناطق گرم و مرطوب وجود ندارد. اما در همین مناطق می­توان از چیلرهای تراکمی استفاده نمود.
• اثرات به مراتب کمتر زیست محیطی نسبت چیلر جذبی.
• پیک زدایی مصرف برق در ساعات اوج بار (ساعات 19 الی 23) با استفاده از سامانه کنترلر سرمایش تراکمی
• ظرفیت پائین تر برجهای خنک کن و سیستم پمپاژ به برجها

**مقایسه بین چیلرهای مذکور، تنها در صورتی قابل انجام است که امکان انتخاب انواع چیلر وجود داشته باشد، در غیر اینصورت مقایسه و نتیجه گیری در مورد نوع خاصی، صحیح نیست. پارامترهایی از قبیل: شرایط آب و هوایی، قیمت دستگاه،  قیمت انرژی، هزینه نگهداری، عمر مفید تجهیزات، ابعاد دستگاه، تجهیزات پیرامونی، هزینه نصب، هزینه بیمه و مالیات دستگاه، هزینه انرژی مصرفی و … از عوامل محدود کننده امکان استفاده از انواع چیلرها است. با توجه به هزینه های بالای انرژی و هزینه های بسیار بالایی که آلایندگی تجهیزات سرمایشی و گرمایشی به کشور وارد می کند، لازم است مهندسین و دست اندکاران صنعت تهویه مطبوع، ضمن در نظر گرفتن سیاستهای کلان کشور در زمینه انرژی، محاسبات هزینه های اقتصادی طرح را قبل از انتخاب تجهیزات انجام دهند و براساس آن اقدام به انتخاب تجهیزات و تهیه طرح خود نمایند.

مینی چیلر

همانطور که از نام مینی چیلرها برمی­ آید این دستگاه­ها چیلرهای كوچكی هستند كه در فضا­هایی استفاده می­ شوند كه نیاز به سرمایش و گرمایش مستقل دارند. مکانیزم تغییر مدار سرمایی به گرمایی و بالعکس توسط شیر چهارراهه معکوس کننده جریان گاز انجام می­ گردد. با استفاده از این دستگاه­ها مشكلات مربوط به موتورخانه مركزی حذف خواهد شد. عموما مینی چیلرها از کندانسورهای هوا خنک بهره می ­برند. در واقع مینی­ چیلرها پمپ­ های حرارتی هستند كه می­ توانند آب گرم مورد نیاز در زمستان را نیز فراهم نمایند. برخی مینی چیلرها با بکارگیری مشعل، آب گرم مورد نیاز را تامین می­ کنند.

از مزایای مینی چیلر می توان به موارد زیر اشاره نمود:

از سیستم های مستقل تهویه آپارتمانی

دارای تنوع ظرفیت در تناژ برودتی

قابل نصب در تراس و یا پشت بام

دارای کمپرسور اسکرال هرمتیک

صدا حجم و وزن کم

دارای ضریب عملکرد بالا

نصب و راه اندازی سریع و آسان

قابل ارائه بصورت سرد یا سرد و گرم

قابل اتصال به سیستم­ های گرمایش