چیلرهای تراکمی (Vapor Compression)

چیلرهای تراکمی (Vapor Compression): مروری جامع بر انواع

چیلرهای تراکمی (Vapor Compression Chillers)، متداول‌ترین نوع از سیستم‌های سرمایش در کاربردهای تهویه مطبوع (HVAC) و صنعتی هستند. این چیلرها بر اساس چرخه تبرید تراکمی بخار کار می‌کنند که از تغییر فاز مبرد (گاز به مایع و برعکس) برای جذب و دفع حرارت استفاده می‌کند. این سیستم‌ها بر اساس نوع کمپرسور مورد استفاده در چرخه، به انواع اصلی زیر تقسیم می‌شوند:

۱. چرخه تبرید تراکمی بخار (Vapor Compression Cycle)

تمام چیلرهای تراکمی، فارغ از نوع کمپرسور، از چهار جزء اصلی برای جابجایی حرارت استفاده می‌کنند:

1. اواپراتور (Evaporator): مبرد مایع با فشار پایین، حرارت را از آب یا هوای برگشتی ساختمان جذب کرده، تبخیر و تبدیل به بخار می‌شود.

2. کمپرسور (Compressor): بخار مبرد را با فشار و دمای بالا فشرده می‌کند. این مرحله قلب سیستم است و انرژی مکانیکی (یا الکتریکی) به سیستم وارد می‌شود.

3. کندانسور (Condenser): بخار داغ و پرفشار، حرارت خود را به محیط بیرون (آب برج خنک کننده یا هوای محیط) دفع کرده و به مایع با فشار بالا تبدیل می‌شود.

4. شیر انبساط (Expansion Valve): فشار مبرد مایع را به فشار پایین کاهش می‌دهد تا مبرد برای شروع مجدد چرخه در اواپراتور آماده شود.

۲. انواع چیلر بر اساس کمپرسور

نوع کمپرسور، تعیین‌کننده اصلی ظرفیت، کارایی، میزان صدا و هزینه نگهداری چیلر است. کمپرسورها به دو دسته اصلی جابجایی مثبت (Positive Displacement) و جریان دینامیک (Dynamic) تقسیم می‌شوند.

الف. چیلرهای رفت و برگشتی (Reciprocating Chillers)

• نوع کمپرسور: جابجایی مثبت (مشابه سیلندر و پیستون موتور خودرو).

• عملکرد: پیستون‌ها با حرکت رفت و برگشتی، حجم مشخصی از بخار مبرد را مکیده و فشرده می‌کنند.

• کاربرد: برای ظرفیت‌های کوچک تا متوسط (حدود ۲۰ تا ۲۰۰ تن تبرید) استفاده می‌شوند.

• مزایا: سادگی در تعمیر، قابلیت عملکرد در بارهای جزئی خوب (با خاموش و روشن شدن پیستون‌ها).

• معایب: صدای زیاد، لرزش و قطعات متحرک زیاد، که استهلاک بالایی دارند.

ب. چیلرهای اسکرال (Scroll Chillers)

• نوع کمپرسور: جابجایی مثبت (دو صفحه مارپیچی: یکی ثابت و دیگری متحرک).

• عملکرد: حرکت مداری صفحه مارپیچی متحرک، گاز مبرد را در جیب‌های بین مارپیچ‌ها فشرده کرده و به مرکز می‌فرستد.

• کاربرد: بسیار رایج در ظرفیت‌های کوچک (زیر ۱۰ تا ۱۵۰ تن تبرید). بیشترین استفاده را در مینی‌چیلرها و پکیج‌های پشت بامی دارند.

• مزایا: راندمان بالا در ظرفیت‌های کوچک، قطعات متحرک کمتر، صدای کم و اندازه کوچک.

• معایب: تعمیر آن‌ها معمولاً به معنای تعویض کامل کمپرسور است.

ج. چیلرهای اسکرو (Screw Chillers)

• نوع کمپرسور: جابجایی مثبت (دو روتور مارپیچی نَر و ماده).

• عملکرد: روتورها در هم قفل می‌شوند و با چرخش، گاز مبرد را از یک طرف مکیده و به انتهای مارپیچ‌ها فشرده می‌کنند.

• کاربرد: ظرفیت‌های متوسط تا بزرگ (از حدود ۵۰ تا ۵۰۰ تن تبرید و بیشتر). در حال حاضر یکی از محبوب‌ترین انواع چیلرها هستند.

• مزایا: قابلیت کنترل دقیق ظرفیت (مدولاسیون)، عملکرد بسیار خوب در بارهای جزئی، لرزش کم و قابلیت اطمینان بالا.

• معایب: هزینه اولیه بالاتر و پیچیدگی مکانیکی.

د. چیلرهای سانتریفیوژ (Centrifugal Chillers)

• نوع کمپرسور: جریان دینامیک (مبتنی بر نیروی گریز از مرکز و پروانه چرخشی).

• عملکرد: پروانه (Impeller) با سرعت بسیار بالا می‌چرخد و نیروی گریز از مرکز، سرعت مبرد را به شدت افزایش می‌دهد. سپس این سرعت در دیفیوزر تبدیل به فشار می‌شود.

• کاربرد: ظرفیت‌های بسیار بزرگ (از ۱۵۰ تا چند هزار تن تبرید). ایده‌آل برای ساختمان‌های بزرگ، فرودگاه‌ها و مراکز داده.

• مزایا: بالاترین راندمان انرژی (به ویژه با استفاده از درایوهای سرعت متغیر $\text{VFD}$)، عمر طولانی، و قابلیت کار با مبردهای سازگار با محیط زیست.

• معایب: راندمان پایین در بارهای جزئی (بدون $\text{VFD}$)، بسیار پیچیده و گران.

۳. انواع چیلر بر اساس دفع حرارت

تمام انواع کمپرسورهای فوق می‌توانند در دو نوع کندانسور به کار روند:

الف. چیلر آب خنک (Water-Cooled Chillers)

• عملکرد: گرمای مبرد در کندانسور به آب منتقل می‌شود. این آب داغ به یک برج خنک کننده (Cooling Tower) پمپ می‌شود تا گرما را به اتمسفر دفع کند.

• مزایا: راندمان بالاتر (به دلیل دمای پایین‌تر آب برج)، عمر طولانی‌تر تجهیزات.

• کاربرد: ساختمان‌های بزرگ و سیستم‌های مرکزی.

ب. چیلر هوا خنک (Air-Cooled Chillers)

• عملکرد: گرمای مبرد در کندانسور به هوای محیط منتقل می‌شود. این کار توسط فن‌های بزرگی که هوا را از روی کویل‌های کندانسور عبور می‌دهند، انجام می‌شود.

• مزایا: نصب آسان‌تر، عدم نیاز به آب (صرفه‌جویی در مصرف آب).

• کاربرد: ساختمان‌های کوچک و متوسط که نصب برج خنک کننده در آن‌ها مشکل است.

۴. انتخاب نوع چیلر

انتخاب نوع چیلر به عواملی چون ظرفیت مورد نیاز، بودجه اولیه، فضای موجود و اولویت‌های نگهداری و راندمان بستگی دارد:

• ظرفیت‌های کوچک: اسکرال (Scroll)

• ظرفیت‌های متوسط: اسکرو (Screw)

• ظرفیت‌های بزرگ: سانتریفیوژ (Centrifugal) یا اسکرو

عوامل مؤثر بر راندمان برج‌های خنک‌کننده

نقش و ضرورت منبع انبساط در دیگ‌های آب گرم

اجزای اصلی چیلر تراکمی و وظایف آن‌ها

سرمایش و گرمایش با یک دستگاه