چیلر (chiller) چیست؟ بررسی | مقایسه | کاربرد

چیلر(chiller) در صنعت تهویه مطبوع، دستگاهی (ماشین تبرید) است که آب سرد تولید می‌کند. یک دستگاه چیلر براساس قانون تراکم بخار و جذب بخار کار می‌کند. سیستم تراکم بخار از انرژی مکانیکی در شکل موتور الکتریکی برای به راه انداختن سیکل سرمایش استفاده می‌کند. چیلر تراکمی از چهار جزء اصلی تشکیل می‌شود:

• کمپرسور
• اواپراتور
• کندانسور
• شیر انبساط

انواع چیلرها

چیلرها به دو دسته‌ی چیلرهای تراکمی و چیلرهای جذبی تقسیم می‌شوند. تقسیم‌بندی دیگر چیلرها بر اساس شکل خنک شدن مایع مبرد است که به سه دسته آب خنک، هوا خنک و تبخیری تقسیم می‌شوند.چیلرهای تراکمی با استفاده از انرژی الکتریکی و چیلرهای جذبی با استفاده از انرژی حرارت باعث ایجاد برودت و سرما می‌شوند.

دسته بندی و نام‌گذاری چیلرهای تراکمی به طور عمده براساس نوع کمپرسور و شیوه دفع گرما صورت می‌گیرد. اکثر سیستم‌های سرمایشی، از تهویه مطبوع خانگی گرفته تا مراکز بزرگ تجاری و چیلرهای صنعتی، از فرآیند تبرید به صورت سیکل تراکمی بخار استفاده می‌کنند. قلب سیستم تراکم بخار کمپرسور می‌باشد. وظیفه کمپرسور جابه‌جایی مبرد در طی سیستم سرمایش و متراکم کردن مبرد گازی شکل است. مصرف انرژی الکتریکی، گاز مبرد را از اواپراتور مکش می کند و سپس آن را فشرده ساخته و وارد کمپرسور می‌کند.

یک کمپرسور خوب باید دارای ویژگی های زیر باشد:

• عمر طولانی و هزینه نگهداری پایین با راهبری آسان
• اثر تبرید بیشتر در ازای برق ورودی کمتر (نسبت انرژی به حجم و سطح تراکم سازی پایینی داشته باشد)
• هزینه ساخت و تولید پایین
• بازه عملیاتی گسترده در شرایط گوناگون
• سطح صدا و ارتعاش قابل قبول

کمپرسور را می توان به وسیله الکتروموتور به صورت ارتباط مستقیم در یک محفظه یا با تماس غیر مستقیم از طریق گیربکس و پولی-تسمه با گشتاور به حرکت در آورد که نوع باز نامیده می‌شود. ممکن است الکترو موتور محرک مستقیماً کمپرسور را بگرداند ویا الکترو موتور و کمپرسور درون یک محفظه قرار می‌گیرند و با آن یکپارچه شده است.

این نوع کمپرسور از نوع بسته یا نیمه بسته می‌باشند. کمپرسورهای بسته از لحاظ جاگیری بسیار مناسب اند و فضای اندکی را اشغال می‌کنند و در صورت خراب شدن اجزای داخل کمپرسور قابل تعمیر نمی‌باشد و باید تعویض شود، اما کمپرسورهای نیمه بسته قابل تعمیر می‌باشند.

سایز کمپرسور به صورت قدرت موتور آن برحسب اسب بخار HP یا کیلووات و ظرفیت سرمایی آن برحسب کیلووات سرمایی یا تن تبرید بیان می‌شود. همچنین حجم و فشار مبرد از جمله پارامترهای موثر بر ظرفیت سرمایی کمپرسور است. ظرفیت سرمایی کمپرسور با افزایش نرخ جریان جرمی مبرد افزایش می‌یابد.

مقیاس کاربردی برای عملکرد کمپرسور ضریب عملکرد COP است که به صورت نسبت ظرفیت تبرید به برق ورودی است. COP مقیاس بدون واحد است

ظرفیت یک کمپرسور در شرایط مشخص تابع جرم گاز متراکم شده در واحد زمان است. به طور ایده آل جریان جرمی برابر است با جابجایی کمپرسور به ازای واحد زمان، ضرب‌در چگالی گاز. اگرچه شرایط ایده آل به دلیل بسیاری از افت‌ها هرگز اتفاق نمی‌افتد.

در ادامه به مزایا و معایب، محدودیت‌ها و کاربردهای هر یک از چیلرها می‌پردازیم.

انواع کمپرسورها

کمپرسورها به دو دسته نوع جابجایی مثبت و نوع دینامیکی تقسیم می شوند:

کمپرسور دینامیکی

کمپرسور دینامیکی فشار مبرد بخار را از طریق انتقال پیوسته مومنتوم زاویه ای یک پره در حال چرخش با تبدیل انرژی جنبشی به پتانسیل افزایش می‌دهد. یک کمپرسور سانتریفیوژ یک کمپرسور دینامیکی بوده و کاملاً متفاوت با یک کمپرسور جابجایی مثبت می‌باشد. این کمپرسورها به طور وسیع در صنایع پتروشیمی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

کمپرسور جابجایی مثبت

کمپرسور جابجایی مثبت به طور فیزیکی حجم مبرد را کاهش و فشار آن را از این طریق افزایش می‌دهد، که شامل کمپرسور رفت و برگشتی، اسکرال و اسکرو می‌باشد. این کمپرسورها حجم ثابتی از گاز با فشار بالا ایجاد می‌کنند.

کمپرسورهای رفت و برگشتی

این نوع کمپرسورها براساس نوع محرک، آرایش سیلندر پیستون، سیستم‌های خنک کاری و روغن کاری طبقه‌بندی می‌شوند. کمپرسورها به طور معمول به کمک الکتروموتور کار می‌کنند اما در سیستم‌های تهویه، وسایل حمل و نقل نیرو یا توان محرک، به وسیله موتورهای درون سوز تأمین می‌شود.

کمپرسورهای رفت و برگشتی جزء کمپرسورهای جابجایی مثبت می‌باشند که حرکت رفت و برگشت پیستون داخل سیلندر کمپرسور صورت می‌گیرد. همانطور که پیستون به پایین حرکت می‌کند، یک خلاء نسبی داخل سیلندر به وجود می‌آید زیرا فشار بالایی شیر ورودی بزرگتر از فشار زیر آن است، در نتیجه شیر ورودی در اثر این اختلاف فشار به وجود آمده باز می‌شود و مبرد به داخل سیلندر جریان می‌یابد.

بعد از اینکه پیستون به انتهای سیلندر (پایین‌ترین نقطه) می‌رسد، پیستون رو به بالا شروع به حرکت می‌کند، شیر ورودی بسته می‌شود و مبرد داخل سیلندر تله می‌افتد. در نتیجه فشار درون محفظه سیلندر نسبت به بخش مکش افزایش می‌یابد.

همانطور که سیلندر رو به بالا حرکت می‌کند، فشار مبرد متراکم شده افزایش می یابد. فشار مبرد تا حدی افزایش می‌یابد که شیر خروجی را باز می‌کند و مبرد متراکم شده به خارج از سیلندر جریان می‌یابد. در ابتدا پیستون به بالاترین موقعیت خود می‌رسد سپس شروع به حرکت روبه پایین می‌کند و این سیکل تکرار می‌شود.

طراحی سیلندر در کمپرسورهای پیستونی از نظر تعداد و نحوه آرایش سیلندرها، دوطرفه یا یک طرفه بودن آن‌ها (پیستون دوسره یا یک سره) متفاوت است. کمپرسورهای پیستونی را با 1 تا 16 سیلندر می‌سازند و نحوه آرایش سیلندر در آن‌ها برحسب نیاز، به صورت‌های جناغی، جفت جناغی، شعاعی یا ستاره ای است.

تنها مزیت کمپرسورهای رفت و برگشتی قیمت پایین آن‌ها، کنترل‌های ساده و توانایی کنترل سرعت از طریق تسمه است که در هر دو شکل آبی و هوایی موجود است. بخش عمده‌ای از چیلرهای رفت و برگشتی در مقایسه با دیگر چیلرها سطح نیاز به تعمیرات بیشتری دارند. این نوع کمپرسور قطعات متحرک و ارتعاش بیشتر، جریان راه اندازی بالاتر و ضریب عملکرد پایین‌تری نسبت به دیگر کمپرسورها دارد.

کمپرسور دوار

• کمپرسور Rolling piston

این کمپرسورها یک روتور مرکزی ثابت و یک روتور در حال چرخش دارند که یک میل‌لنگ روتور در حال چرخش را خارج از محور، درون استوانه ثابت می‌غلتاند و فشار گاز مبرد از طریق تله افتادن بین دو روتور ثابت و متحرک افزایش می‌یابد. در واقع با چرخش روتور خارج از محور غلتان، حجم گازی که بین استوانه ثابت و متحرک تله می‌افتاده، کاهش می‌یابد و فشار افزایش می‌یابد. حجم مبرد از طریق تغییر سرعت چرخش پروانه و یا از طریق بای‌پس کردن گاز مبرد تغییر می‌کند.

از جمله معایب این کمپرسور بازدهی پایین آن‌ها می‌باشد، که عموماً برای ظرفیت‌های کوچک تهویه مطبوع خانگی ساخته می‌شود. همچنین این کمپرسورها را نباید در محیط‌هایی که ذرات معلق موجود در هوا زیاد است نصب کرد.

• کمپرسور پیچی (اسکرو):

کمپرسورهای پیچی به دو نوع کمپرسور پیچی جفت (دوبل) و کمپرسور پیچی منفرد دسته بندی می‌شوند:

1.کمپرسورهای پیچی جفت

در کمپرسورهای پیچی جفت یکی از روتورها male و دیگری female است و به طور معمول روتور male روتور female را به حرکت در می‌آورد. در واقع روتور male دارای دنده (lobe)  و دارای رزوه-شیار (gully) می‌باشد. و از ترکیب lobe و gully حرکت چرخشی دو روتور ایجاد می‌شود.

روتور female همواره با سرعت کم‌تری نسبت به روتور male می‌چرخد. معمولاً نسبت دندانه‌های (lobe) روتور male به female پنج به شش است. البته این نسبت در سازنده‌های مختلف، متفاوت است اما این نزدیک‌ترین سرعت روتور female به روتور male است.

در کمپرسورهای پیچی جفت، از دو چرخنده (روتور) مارپیچ برای متراکم کردن گاز استفاده می‌شود. روغن موجود در فضای بین روتورها جهت seal کردن و انتقال انرژی بین محرک و متحرک می­‌باشد. در اثر گردش روتورها ماده مبرد به داخل فضای interlobe مارپیچ روتور مکیده می‌شود و با توجه به جهت چرخش روتور به صورت پیچی به سمت جلو حرکت می‌کند و  مبرد متراکم شده و از قسمت انتهایی چرخنده خارج می‌گردد.

زمانی که روتور با سرعت بالا می‌چرخد، کمپرسور اسکرو نسبت به کمپرسورهای جابه‌جایی مثبت دیگر حجم مبرد بیشتری را متراکم می‌کند. در واقع کمپرسورهای اسکرو جایگزین مناسبی برای کمپرسورهای سیلندر پیستونی و سانتریفیوژ قدیمی است. همچنین ظرفیت این کمپرسورها از طریق اسلاید ولو بین 25 تا 100 درصد تغییر می‌کند.

2.کمپرسورهای پیچی منفرد

در کمپرسورهای پیچی منفرد عمل تراکم توسط یک روتور مارپیچ و دو روتور ستاره‌ای با دندانه ماشینی صورت می‌گیرد. زمانی که روتور اصلی می‌چرخد، دندانه‌های روتورهای ستاره‌ای با شیارهای روتور اصلی درگیر می‌شوند و در اثر چرخش سریع روتور و چرخ ستاره ای، گاز مبرد داخل شیارهای روتور مارپیچ تله می‌افتد. درنتیجه فشار مبرد افزایش یافته و در انتها (در سمت تخلیه) با فشار زیاد خارج می‌شود.

به طور کلی با انتقال مبرد از یک سمت به سمت دیگر و انباشتن آن فشار افزایش می‌یابد. جنس روتورهای ستاره‌ای از نوع کامپوزیت فلزی و روتور پیچی از جنس فلزی می‌باشد. این مجموعه در داخل یک جعبه استوانه‌ای قرار دارد که مجرای ورودی ساکشن در یک انتها و مجرای دیسشارژ در انتهای دیگر می‌باشد، که بخش‌های فشار بالا و فشار پایین توسط روتورهای ستاره ای جدا می‌شوند. در کمپرسور اسکرو منفرد روتروهای ستاره‌ای در تماس سایشی با روتور پیچی می‌باشند.

مزایای کمپرسور اسکرو (پیچی):

• عملکرد آرام این نوع کمپرسورها که ناشی از تراکم چرخشی محورهای کمپرسور است.
• کمپرسورهای اسکرو برای کارکرد دائم و به طور پیوسته طراحی شده‌اند.
• به علت حرکت دورانی حلزون‌های کمپرسور لرزش آن بسیار کم می‌باشد.
• به علت همپوشانی سیکل مکش و دهش کمپرسورهای پیچی، جریان مبرد یکنواخت و مستمر است.
• کمپرسورهای پیچی نسبت به کمپرسورهای تناوبی قطعه متحرک کم‌تری دارند، لذا خرابی کمپرسور پیچی نسبت به کمپرسورهای تناوبی کم‌تر بوده و تعمیرات آن راحت‌تر می‌باشد.
• در کمپرسورهای پیچی فضای مرده وجود ندارد و لذا راندمان حجمی این نوع کمپرسورها، به ویژه در نسبت تراکم‌های بسیار بالا بهتر می‌باشد.
• عمر بسیار طولانی‌تر (حدود 8 برابر کمپرسورهای رفت و برگشتی)
• عملکرد بهتر در بار جزئی
• کنترل دقیق‌تر و مناسب‌تر دمای فرآیند
• تغییر و کنترل پیوسته دبی حجمی (جرمی) مبرد در حال گردش سیکل تبرید
• حذف قطعات بحرانی و حساس مثل پمپ روغن
• مقاومت بیشتر و آسیب پذیری کم‌تر در مقابل ورود مبرد به شکل اشباع تا کیفیت 4/0
• در کمپرسور اسکرو هیچ گونه تغییر سایزی در حجم اشغالی مبرد صورت نمی‌گیرد و برخلاف کمپرسورهای رفت و برگشتی راندمان حجمی ثابتی دارد.

معایب کمپرسور اسکرو (پیچی):

• شدت و فرکانس بالاتر صدا
• نیاز این نوع کمپرسورها به روغن کاری با ویسکوزیته بالاتر

• کمپرسور اسکرال

در این کمپرسور گاز بین دو پره حلزونی شکل متراکم می‌شود، که یکی از پره‌ها ثابت و پره دیگر داخل این پره ثابت حرکت می‌کند و با توجه به فاصله لبه‌های هر دو قطعه، گاز مبرد از قسمت بیرونی مکیده شده و به شکل حلزونی حرکت کرده و با فشار زیاد از مرکز اسکرال خارج می‌شود. این کمپرسور تنها دو قطعه متحرک شامل شافت و پره متحرک دارد. در کمپرسور اسکرال، شفت به صورت عمودی قرار می‌گیرد و روتورها در قسمت بالای آن قرار گرفته‌اند. در کمپرسور اسکرال برخلاف کمپرسور اسکرو با حرکت حلزونی متحرک، مبرد حبس شده بین دو حلزونی به سمت مرکز رانده می‌شود و به دلیل کوچک شدن فضای اشغالی مبرد، حجم مبرد کاهش یافته و فشار آن افزایش می‌یابد و در نهایت از مرکز به بخش رانش کمپرسور هدایت می‌شود.

جهت تغییر ظرفیت حجمی (جرمی) مبرد در سیکل با کمپرسور اسکرال سه روش رایج وجود دارد:

1. با بهره‌گیری از مکانیسمی در هنگامی که نیازی به تراکم سازی نیست حلزونی متحرک مقدار کمی در حدود یک دهم میلی‌متر از روی حلزونی ثابت بلند می‌شود که عمل تله افتادن مبرد مختل شده و کمپرسور مبرد را متراکم نمی‌سازد و در اصطلاح هرز می‌گردد. این عمل کمک می‌کند که حجم مبرد مورد نیاز جهت تراکم در قسمتی از زمانی که کمپرسور در گردش می‌باشد، کاهش یابد. در این صورت ظرفیت کمپرسور بدون خاموش و روشن شدن آن، کنترل می‌شود.
2. با استفاده از اینورتر و با تغییر سرعت گردش کمپرسور حجم مبرد متراکم شده تغییر می‌کند و از این طریق ظرفیت کنترل می‌گردد.
3. با روشن و خاموش شدن متناوب کمپرسور، ظرفیت برودتی کنترل می‌شود.

مزایای کمپرسورهای اسکرال:

• بازده کمپرسورهای اسکرال حداقل 10 تا 15 درصد بیشتر از کمپرسورهای پیستونی برآورد شده است.
• تخلیه گاز به صورت پیوسته و مداوم و به طور یکنواخت انجام می‌شود.
• قطعات متحرک کمپرسور اسکرال بسیار کم بوده و امکان خرابی این نوع کمپرسورها نسبت به کمپرسورهای پیستونی بسیار کم‌تر می‌باشد
• ارتعاش و سر و صدای این نوع کمپرسورها کم‌تر از کمپرسورهای پیستونی است.
• عمر مفید آن حداقل 8 برابر بیشتر است.
• راندمان حجمی کمپرسور در تمام طول عمر آن تقریباً ثابت و تغییر نمی‌کند.
• دمای گاز متراکم شده در کمپرسور اسکرال پایین‌تر می‌باشد.

مزایای نسبی کمپرسورهای اسکرال نسبت به کمپرسورهای اسکرو :

بایستی توجه داشت که معمولاً این دو نوع کمپرسور با کاربردهای ظرفیتی متفاوت در بازار مورد نظر قرار می‌گیرند و از کمپرسور اسکرال در ظرفیت‌های پایین و از کمپرسورهای اسکرو در ظرفیت‌های بالا استفاده می‌شود.

• بازده کمپرسور در بار جزئی نسبتاً بیشتر است.
• ارتعاش و سر و صدای این نوع کمپرسورها کم‌تر از کمپرسورهای اسکرو است.
• قیمت پایین‌تر
• حذف احتمال نشت مبرد از بدنه (معمولاً کمپرسور اسکرو به صورت نیمه بسته ساخته می‌شود.)

با توجه به مزایای فوق توصیه می‌شود که از این نوع چیلر در کاربری­‌های مسکونی با بار برودتی کم‌تر از 100 تن استفاده شود. از جمله معایب و یا شاید هم مزیت کمپرسورهای اسکرال عدم امکان دسترسی به اجزای داخلی کمپرسور برای تعمیر است.

کمپرسور سانتریفیوژ:

کمپرسور سانتریفیوژ یک ماشین دینامیکی است که تراکم از طریق اعمال نیروی اولیه به مبرد گازی از طریق چرخش پره صورت می‌گیرد. این کمپرسورها می‌توانند یک یا چند طبقه باشند. در کمپرسور سانتریفیوژ جریان سیال در جهت محوری وارد پروانه می‌شود و از پره به صورت شعاعی خارج می‌شود. انرژی از طریق پروانه به مبرد منتقل می‌شود، سپس گاز وارد محفظه دیفیوزر شکل می‌شود و سرعت آن کاهش یافته و فشار افزایش می‌یابد.

میزان افزایش فشار مبرد به سرعت چرخش پروانه (انرژی جنبشی مبرد) بستگی دارد. همچنین برای افزایش فشار بیش‌تر از کمپرسورهای چند طبقه‌ای استفاده می‌شود. که در واقع چند پروانه به صورت سری قرار گرفته‌اند. این نوع کمپرسورها برای تراکم حجم زیادی مبرد با نسبت فشار پایین مناسب می‌باشد.

کمپرسورهای سانتریفیوژ بر اساس نوع مبردی که با آن کار می‌کنند با توجه به شرایط بخار به دو دسته فشار مثبت و فشار منفی طبقه‌بندی می‌شوند. کمپرسورهای که با مبرد R22 و R134a کار می‌کنند، فشار مثبت می‌باشند و کمپرسورهایی که با مبرد R123 کار می‌کنند، کمپرسورهای فشار منفی هستند.

با توجه به اینکه چگالی مبرد R123 بسیار کم‌تر از چگالی مبرد R134a می‌باشد، بنابراین نرخ جریان حجمی مبرد R123 بسیار بیش‌تر است و پروانه کمپرسوری که با این مبرد کار می‌کند، بسیار بزرگتر می‌باشد و با سرعتی حدود RPM 3600  می‌چرخد. در صورتی‌که کمپرسورهایی که با مبرد R134a کار می‌کند با سرعت RPM30000 می چرخد.

کمپرسورهای سانتریفیوژ نسل جدید که کمپرسور توربوکر هم نامیده می‌شوند از خانواده توربوماشین‌ها هستند. این ماشین‌ها به طور پیوسته مومنتوم زاویه‌ای بین المان مکانیکی در حال چرخش و جریان سیال را تغییر می‌دهند. با توجه به اینکه در این ماشین‌ها جریان پیوسته است ظرفیت حجمی این ماشین‌ها نسبت به ماشین‌های جابجایی مثبت بزرگتر است.

برای تغییر مومنتوم زاویه‌ای موثر، سرعت چرخش باید بیش‌تر باشد، در حالی که ارتعاش به دلیل حرکت پایدار و عدم تماس قطعات کم‌تر است. کمپرسورهای سانتریفیوژ برای کاربری تهویه مطبوع و تبرید مناسب هستند.

جریان ساکشن به صورت محوری وارد المان در حال چرخش می‌شود و به صورت شعاعی با سرعت نزدیک به صوت وارد دیفیوزر شده و با کاهش شدید سرعت، فشار به شدت افزایش می‌یابد، فشار خروجی دیفیوزر از فشار دیسشارژ بیشتر می‌باشد که امکان خروج را فراهم می‌سازد. در طی فرآیند دیفیوزری فشار دینامیکی (انرژی جنبشی) به فشار استاتیکی (انرژی پتانسیل) تبدیل می‌شود.

تغییر موممنتوم زاویه‌ای و انرژی انتقال یافته بین پره سانتریفیوژ و جریان مبرد، متناسب با سرعت پره و سرعت مبرد هنگام خروج از پره است. در کمپرسورهای سانتریفیوژ نسل قدیم کنترل فقط از طریق IGV صورت می‌گیرد، بنابراین بر ضریب عملکرد در بار جزئی تأثیر منفی می‌گذارد. زمانی که ظرفیت دستگاه کم‌تر از 25 درصد باشد، امکان پدیده سرچ وجود دارد که این پدیده می‌تواند به کمپرسور صدمه جدی وارد کند.

نوعی از نسل جدید این کمپرسورها، ساخت کارخانه توربوکر دانفوس هستند که از روغن در این کمپرسورها استفاده نشده است. در واقع این کمپرسورها مجهز به یاتاقان‌های مغناطیسی بوده و با بهره گیری از خاصیت مغناطیسی امکان شناوری محور گردنده را مهیا ساخته و از تماس جلوگیری می‌شود.

تمامی کمپرسورهای توربوکور دارای دو مرحله می‌باشند، در واقع گاز از روی دو پروانه روی یک شفت گذر می‌نماید و در دو مرحله متراکم می‌شود. گاز سوپرهیت در دما و فشار پایین وارد طبقه اول کمپرسور می‌شود، نیروی گریز از مرکز پروانه باعث افزایش سرعت می‌گردد و سپس مبرد با سرعت بالا وارد پروانه طبقه دوم می‌گردد و انرژی جنبشی آن بیش‌تر افزایش می‌یابد. گاز خروجی از طبقه دوم وارد پیچک VOLUTE می‌گردد و سرعت آن کاهش یافته و تبدیل به فشار می‌شود، در نتیجه فشار آن افزایش می‌یابد. گاز مبرد با دما و فشار بالا از دهانه خروجی خارج می‌گردد. کنترل ظرفیت در این کمپرسورها از طریق IGV (تغییر دبی مبرد) و VFD (تغییر فرکانس) صورت می‌گیرد.