چیلر پارت 2 – انواع چیلر تراکمی و محاسبه ظرفیت

چیلر پارت 2 – انواع چیلر تراکمی و محاسبه ظرفیت:

با توجه به اینکه در بخش اول از مقاله های مربوط به چیلر به معرفی اجزای اصلی آن پرداختیم. توصیه می شود قبل از مطالعه بخش دوم به این بخش : ” چیلر پارت 1 – معرفی چیلر ” مراجعه بفرمایید.

اجزاء چیلر تراکمی:

1- کمپرسور:

مهمترین جزء یک چیلر تراکمی کمپرسور است که وظیفه کاهش حجم و افزایش فشار بخار مبرد را انجام می­دهد. افزایش فشار مبرد به افزایش دمای آن منجر می­شود. کمپرسورها با توجه به نوع طراحی­شان به سه دسته تقسیم می­شوند.

• کمپرسورهای پیچی یا اسکرو (Screw)
• کمپرسورهای حلزونی یا اسکرال (Scroll)
• کمپرسورهای گریز از مرکز یا سانتریفیوژ (Centrifugal)
• کمپرسورهای رفت و برگشتی یا پیستونی (reciprocating compressor)

کمپرسورهای پیچی یا اسکرو (Screw)

همانطور که در تصویر نشان داده می­شود، کمپرسورهای پیچی یا اسکرو به نوعی از کمپرسورها گفته می­شود که عملکردشان متکی به حرکت چرخشی دو قطعه می­باشد. وجود قطعات محدود، قابلیت اطمینان عملکرد این تجهیز را بالا می­برد.

کمپرسورهای حلزونی یا اسکرال (Scroll)

این کمپرسوها دو نوار مارپیچ را در خود جای داده است که در هم تنیده شده­اند. فشار بخار مبرد در مسیر حرکتش در فواصل غیر یکنواخت، افزایش پیدا می­کند.

این کمپرسورها نسبت به نوع اسکرو، در چیلرهایی با ظرفیت کمتر بکار می­روند. اگر قرار باشد که درسیستم­های با بیش از 80 تن تبرید، از کمپرسورهای اسکرال استفاده شود، باید بیش از یک کمپرسور بکار گرفته شود.

کمپرسورهای گریز از مرکز یا سانتریفیوژ (Centrifugal) :

مکانیزم عملکرد کمپرسورهای سانتریفیوژ مشابه با پمپ­های سانتریفیوژ است. بخار مبرد به موازات محور وارد کمپرسور شده و به پروانه­های درحال چرخش برخورد می­کند. پس از افزایش فشار، در راستای عمود بر محور خارج می­شود. در واقع متراکم کردن بخار مبرد و افزایش فشار به کمک افزایش سرعت و افزایش انرژی جنبشی اتفاق می­افتد. حرکت گریز از مرکز ذرات سیال دلیل رقم خوردن این تغییرات است. هرچه سرعت چرخش پروانه بیشتر باشد، انرژی جنبشی ذرات بیشتر شده و به تبعیت از آن بازده کمپرسور بیشتر می­شود. از طرف دیگر در این کمپرسورها برای اینکه فشار بیشتری دریافت شود، می­توان بیش از یک پروانه را بصورت متوالی (سری/پشت سرهم) قرار داد. تنها قطعه متحرک در این کمپرسورها، همان پروانه است. تعداد قطعات متحرک کم در هر تجهیز به کاهش استهلاک و افزایش عمر مفید آن می­انجامد. به دلیل بازده بالای این کمپرسورها، مرسوم است که در چیلرهای ظرفیت بالا، از این نوع کمپرسور استفاده شود.

کمپرسورهای رفت و برگشتی یا پیستونی (reciprocating compressor)

همانطور که از اسم­شان پیداست، این کمپرسورها با حرکت پیستون سیال را فشرده می­کنند. این کمپرسورها به دلیل داشتن قطعات متحرک متعدد، استهلاک بالاتری نسبت به انواع دیگر دارند. اما اگر رینگ پیستون آن­ها به خوبی آب­بندی شده باشد بازده بالایی خواهند داشت. انتقال حرارت پایینی که با محیط دارند باعث می­شود، بازده­شان نزدیک به آیزنتروپیک باشد.

2- کندانسور:

 در چیلرهای تراکمی، کندانسور کمک می­کند تا دمای گاز مبرد که پس از خروج از کمپرسور افزایش یافته، کم شود. به همین دلیل به آن چگالنده هم گفته می­شود. جذب حرارت گاز مبرد می­تواند به وسیله هوا یا آب انجام شود. در حالت اول چیلر را هوا خنک و در حالت دوم چیلر را آب خنک می­گویند.  از دید انتقال حرارت هر دو کار مشابهی را انجام می­دهند. تنها تفاوت، در نحوه خنک­کاری گاز مبرد خروجی از کمپرسور است.  

کندانسور هواخنک (Air-cooled condenser)

این تجهیزات را می­توان نوعی مبدل حرارتی دانست که در ان سیال گرم، بخار مبرد و سیال سرد، هوای محیط است. بیشتر اوقات این نوع کندانسورها در مناطق خشک یا معتدل مورد استفاده قرار می­گیرند. زیرا اگر رطوبت محیط کمتر باشد، جریان هوا با سهولت بیشتری انجام شده و راندمان بالاتری خواهند داشت. در این کندانسورها برای ایجاد یک جریان هوای اجباری از فن­های محوری یا اکسیال کمک گرفته می­شود. به همین دلیل این فن­ها به فن­های کندانسوری معروف هستند.

کندانسور آبی یا آب­خنک (Water-cooled condenser)

این کندانسور عموماً یک مبدل پوسته و لوله (shell & tube) است که باعث می­شود با تماس غیر مستقیم آب و مبرد، انتقال حرارت انجام شده و مبرد خنک شود. به دلیل اینکه تبادل حرارت با آب انجام می­شود، میزان انتقال حرارت نسبت به کندانسور هواخنک بیشتر است. در چیلرهایی که کندانسور آن­ها آب خنک باشد، نیاز است تا آب خروجی از مبدل وارد برج خنک شود.

3- برج خنک کن(Cooling tower) :

در سیستم­های تهویه مطبوع، در برج خنک‌کن(Cooling tower)  آب خروجی از کندانسورکه در اثر جذب حرارت مبرد افزایش دما پیدا کرده، حرارتش را با تماس با هوا از دست می­دهد. در واقع آب گرمی که وارد برج می­شود با عبور از نازل­هایی به قطرات ریز تبدیل می­شوند. این موضوع باعث افزایش سطح تماس با هوای محیط شده و بخشی از آن تبخیر می­شود. فن تعبیه شده در بالای برج، هوا را از روی قطرات ریز آب عبور می­دهد.

با تبخیر بخشی از آب دمای بخش دیگر که بخار نشده، کم می­شود. این پدیده، سرمایش تبخیری  Cooling) (Evaporative    نام دارد.

کولینگ تاورها یا برج­های خنک‌کن به دلیل کاهش دمای آب به کمک سرمایش تبخیری، منجر به مصرف بالای آب می­شوند.

کولینگ تاورها با توجه به اینکه جریان هوا در آن­ها طبیعی باشد یا اجباری، و در نوع اجباری چه مسیری برای هوا ایجاد شود، انواع مختلفی دارند که در بخش­های بعد به تفصیل شرح داده خواهند شد.

 4- اواپراتور(evaporator):

این بخش از چیلر، در واقع یک مبدل حرارتی­ست که در اثر تماس غیر مستقیم آب و مبرد، گرمای آب را گرفته و دمای آن را کاهش می­دهند. نام­گذاری این تجهیز به دلیل نحوه عملکرد آن است. زیرا مبرد در اثر جذب گرمای آب بخار می­شود. صفحات تعبیه شده داخل پوسته (در مبدل­های پوسته و لوله)، یعنی بافل ها(Baffles) غیر از اینکه لوله­ها  را در جای خود نگه می­دارند، به آشفته شدن جریان کمک کرده و میزان انتقال حرارت را افزایش می­دهند.

5- شیر انبساط یا اکسپنشن ولو (expansion valve):

این قطعه که قبل از اواپراتور نصب می­شود، وظیفه انجام فرآیند اختناق(Throttling process) را برعهده دارد. فرآیندی که در شیر انبساط اتفاق می­افتد با اصطلاحات دیگری از قبیل اثر ژول-کلوین ، اثر کلوین-ژول و یا انبساط ژول_تامسون نیز شناخته می­شود. از آنجا که در دمای اتاق اکثر گازها با طی این فرآیند کاهش دما پیدا می­کنند، مبرد با عبور از شیر انبساط با افت فشار و دما مواجه شده و وارد اواپراتور می­شود. از نظر ترمودینامیکی اگر وقتی یک سیال از یک شیر(Valve)  یا دریچه متخلخل (Porous plug) عبور می­کند، با محیط اطرافش انتقال حرارت نداشته باشد، فشارش کاهش یافته و به تبع آن سردتر می­شود. به این فرآیند، اختناق یا خفگی گفته می­شود.

محاسبه ظرفیت چیلرهای تراکمی

الف- محاسبه دستی و دقیق:

در کاربردهای صنعتی، برای محاسبه ظرفیت یک چیلر تراکمی بصورت دقیق، نیاز است تا 5 مرحله زیر انجام شود.

مثلاً اگر دمای ورودی به چیلر 25 درجه سانتیگراد باشد و در سیستم تهویه مطبوع به آب با درجه حرارت 15 درجه سانتیگراد نیاز باشد، اختلاف درجه حرارت آن­ها 18 درجه فارنهایت است.

برای این­کار از فرمول  استفاده می­شود.   همان ظرفیت گرمایی ویژه آب است که در سیستم  SI  برابر  است. اما برای انجام محاسبات چیلر، مطلوب است که این کمیت در سیستم انگلیسی مورد استفاده قرار گیرد. با تبدیل واحدها مقدار مذکور  بدست می­آید. برای مؤلفه  در سیستم SI معادل  و در سیستم انگلیسی  می­باشد. برای V  هم نیاز است تا دبی آبی که در سیستم جریان دارد برحسب قرار گیرد. هر متر مکعب برابر با 264/172 گالن آمریکایی است.

ب- محاسبه سرانگشتی:

در کاربردهای تهویه مطبوع برای تخمین ظرفیت چیلر برای تعبیه در ساختمانی که در یک موقعیت جغرافیایی خاص قرار دارد، لازم است تا از ضریب­های منحصر به شهرهای مختلف استفاده می­شود. به طور معمول در این روش باید مساحت بخش­هایی از ساختمان را که قرار است برای آن­ها گرمایش یا سرمایش انجام شود را در اختیار داشت. سطوح مربوط به سرویس­های بهداشتی ، سطح زیر دیوارها و سایر سطوح غیر مفید باید از مساحت کل کم شوند. اینکه ساختمان مورد نظر در چه شرایط آب و هوایی قرار دارد یا برای چه کاربری (مسکونی-اداری-تجاری)  استفاده می­شود نیز در انتخاب ظرفیت چیلر نقش مهمی ایفا می­کنند. با دانستن این اطلاعات و ضرب متراژ مورد نظر در ضریب مناسب، ظرفیت سرمایی چیلر (ظرفیت برودتی چیلر) برحسب بی­ تی ­یو بر ساعت  به دست می ­آید. همانند روش قبل با تقسیم این عدد به 12000 می­توان همین کمیت را بر حسب تن تبرید در اختیار داشت. گفتنی است این محاسبات فارغ از تراکمی یا جذبی بودن چیلر می­توانند مورد استفاده قرار گیرند.

عدد به دست آمده ظرفیت واقعی است و لازم است تا در ضریب اطمینان ضرب شود تا ظرفیت اسمی بدست آید. ضریب های گفته شده را می­توان از جدول زیر استخراج کرد.

ج- محاسبه به کمک نرم ­افزار:

با کمک بعضی از نرم ­افزارهای محاسباتی تهویه مطبوع نیز می­توان ظرفیت چیلر را محاسبه کرد. مثلاً در Carrier HAP، با دانستن تعداد نفراتی که از آن محیط استفاده می­کنند یا اینکه چه دستگاه­هایی در آن محیط باعث افزایش حرارت محیط می­شوند و یا میزان دمای داخل و خارج و یا جنس متریال بکار رفته در ساختمان چه باشد، می­توان محاسبه بسیار دقیقی انجام داد.

نرم­افزار دیگر HVAC Solution است که به کمک آن می­توان سیستم­های تهویه مطبوع را طراحی کرد. روابطی که این نرم ­افزار  را پشتیبانی می­کنند، از هندبوک ASHREA  استخراج شده ­اند.

تعداد مدارهای چیلر:

پس از محاسبه ظرفیت چیلر، می­توان آن را تک مداره در نظر گرفت. این موضوع به این معنی­ است که فارغ از اینکه به چند درصد از ظرفیت چیلر نیاز باشد، مبرد تنها در یک اواپراتور دمای آب را کاهش می­دهد. خواه به 40 درصد از سرمایش اسمی چیلر نیاز باشد یا به 80 درصد آن، همه اجزاء همزمان کار می­کنند تا برودت مورد نیاز را فراهم کنند. به عنوان مثال اگر یک چیلر 40 تن تبرید نیاز باشد هم می­توان یک مسیر برای محقق کردن تمام ظرفیت مورد نیاز فراهم شود و هم می­توان دو کمپرسور در نظر گرفت که در دو مدار مجزا که هر کدام کندانسور و اواپراتور و سایر اجزاء مربوط به خود را به خدمت گرفته­اند. حالت دوم مثل زمانی­ست که دو دستگاه چیلر 20 تن تبرید در یک مجموعه قرار گرفته باشند. مزیت این حالت اینست که وقتی که به 20 تن تبرید یا کمتر از آن نیاز باشد، فقط یکی از مدارها وارد عمل شده و کار تهویه مطبوع را انجام می­دهد و مدار دیگر خاموش می­ماند. حُسن این روش طراحی کاهش محسوس مصرف برق و کاهش استهلاک تجهیزات می­شود. از طرف دیگر در صورت بروز یک ایراد در یک مدار، چیلر می­تواند با مدار دیگر به کار خود ادامه دهد و وقفه­ ای در عملکرد آن و تأمین آسایش ساکنین بوجود نخواهد آمد.