چیلر تهویه مطبوع

چکیده

چیلر دستگاهی است که در آن [معمولا] آب را در یک سیکل بسته خنک کرده و با پمپ کردن آن به فن کویلها، به خنک کاری محیط پرداخته و محیط را برای زندگی آماده میسازیم. چیلرها به طور کلی به دو دسته تراکمی و جذبی تقسیم بندی میشوند که در این صفحه منظور ما از چیلر تهویه مطبوع، نوع تراکمی آن است.
در چیلرهای تراکمی به واسطه انرژی الکتریکی و در چیلرهای جذبی به واسطه حرارت ایجاد شده از سوختن [معمولا] گاز برودت و سرما تولید میشود. اساس کار یک چیلر بر اساس تبخیر ماده سرمازا در اواپراتور است. اولین شخصی که یک سری آزمایشات جهت تبدیل برخی گازها به مایعات را انجام داد میشل فاراده بود که این آزمایشات او اساس کار کلیه سیستمهای برودتی جذبی در تولید برودت است. اگر چه او نتوانست این آزمایشات را به سمت تولید برودت سوق دهد، اما پیشرفتی که امروزه در تولید برودت به واسطه یک سیکل جذبی داریم مدیون آزمایشات و تحقیقات اوست.


چیلر تهویه مطبوع                     

چیلر تهویه مطبوع و اصول محاسبات مربوط به آن

جهت دسترسی سریع به بخشهای صفحه مربوط به چیلر تهویه مطبوع میتوانید از لینکهای زیر استفاده نمایید.


تهویه مطبوع و چیلر

تهویه مطبوع به زبان ساده یعنی آماده کردن هوای یک محیط برای زندگی یا انجام فعالیت انسان. در واقع هدف از نصب یک سیستم تهویه مطبوع کنترل دما و رطوبت محیط است. بر پایه فصول گرم و سرد سال دما و رطوبت مطلوب محیط برای انسان، شرایط طرح داخل نامیده میشود.
چیلر تهویه مطبوع دستگاهی است که توسط آن در ابتدا آب در یک سیکل بسته خنک شده و سپس آب به عنوان یک مبرد ثانویه به جذب گرما از محیط و رساندن محیط به شرایط طرح داخل میپردازد.
به طور کلی دو نوع چیلر جذبی و تراکمی وجود دارد. در این قسمت منظور از واژه چیلر، چیلر تهویه مطبوع از نوع تراکمی است.
یک چیلر نیز همانند هر سیستم برودتی دارای سه قسمت مهم: کمپرسور، اواپراتور و کندانسور است. در اواپراتور به واسطه مبرد موجود در سیکل برودتی، آب خنک شده و با گردش آب در فن-کویل های نصب شده در محیط باعث خنک شدن محیط میگردد.

تناژ چیلر

معمولا چیلرها بر حسب تناژ برودتی اسمی آنها نامگذاری شده و به فروش میرسند. یک تن تبرید عبارتست از مقدارگرمایی که از 1 تن آب صفر درجه باید گرفته شود تا در 24 ساعت تبدیل به یخ صفر درجه شود.
در اغلب موارد میزان تناژ اسمی یک چیلر با تناژ واقعی آن تفاوت دارد و در برخی موارد این میزان اختلاف حتی به 50 درصد هم میرسد. هرچه دمای کندانس چیلر از 30 درجه سانتیگراد فاصله گرفته و بیشتر شود ظرفیت برودتی کمپرسور افت کرده و میزان تناژ واقعی چیلر از تناژ اسمی آن فاصله بیشتری میگیرد.
از آنجاییکه هر 1 اسب کمپرسور با مبرد R22 در ایده آل ترین شرایط تهویه مطبوع میتواند 1 تن تبرید برودت ایجاد کند در نتیجه ظرفیت برودتی یک چیلر که دارای 3 دستگاه کمپرسور 40 اسب بخار است، 120 تن اسمی تبرید نامیده میشود درصورتیکه تناژ واقعی این چیلر با کندانسور هوایی و مبرد R22 در منطقه حاره ایی و گرم 75 تن واقعی یا حتی کمتر از آن خواهد شد.

پارامترهای مرجع در طراحی چیلر

کمپانی کریر آمریکا به عنوان یکی از مراجع مهم و یکی از اولین کمپانیهای قدرتمند ارائه دهنده سیستمهای تهویه مطبوع میباشد. از آنجائیکه تنوع آب و هوایی کشور ایران بسیار شبیه کشور آمریکا است، بنابراین اعدادی که به عنوان مرجع توسط کمپانی کریر در تهویه مطبوع ارائه شده است منطبق بر شرایط آب و هوای کشور ما نیز هست.
دمای تبخیر مبرد در اواپراتور DX چیلر بین صفر تا 2+ درجه سانتیگراد است بنابراین فشار ساکشن در چیلر تهویه مطبوع بر مبنای مبرد R22 معادل 60 الی 65 پی.اس.آی خواهد شد و دمای آب خروجی از اواپراتور آبی چیلر تهویه مطبوع 7+ درجه سانتیگراد (45 درجه فارانهایت) و دمای آب برگشت به اواپراتور 13+ درجه سانتیگراد (55 درجه فارانهایت) در نظر گرفته میشود.
در رفرنسهای ارائه شده توسط کمپانی کریر همچنین دمای آب برگشتی از برج خنک کن تقریبا برابر 29.5+ سانتیگراد (85 درجه فارانهایت) و دمای رفت آب به سمت برج خنک کن 35+ درجه سانتیگراد (95 درجه فارانهایت) ذکر شده است. همچنین در کندانسور آبی دمای کندانس به طور متوسط 15 درجه فارانهایت گرمتر از متوسط دمای ورود و خروج آب به کندانسور آبی میباشد.
طبق داده های بالا دمای کندانس معادل: 85F + 95F) /2] + 15F = 105F)] یعنی 40.5+ درجه سانتیگراد (105 درجه فارانهایت) خواهد شد.

چیلر با اواپراتورهای فلادد (Flooded) و انبساط مستقیم (DX (Direct expansion

اواپراتور آبی چیلر در دو نوع فلادد و DX ساخته میشود. در اواپراتورهای DX عضوی بین قسمت پرفشار و کم فشار سیستم در ورودی به اواپراتور قرار گرفته و دبی مبرد ورودی به اواپراتور را کنترل میکند. این عضو به طور کلی Metering device نامیده میشود که انواع و اقسام مختلفی از قبیل: شیر انبساط ترموستاتیکی و اتوماتیک و برقی– لوله کپی – اریفیس و .... را شامل میشود. مایع مبرد از کندانسور وارد این عضو شده و بعد از عبور از آن به مخلوط مایع و بخار کم فشار تبدیل شده و در اواپراتور با تبخیر مایع برودت ایجاد میشود.
اما ساختار اواپراتورهای فلادد که در برخی منابع از آنها به اواپراتور تر (Wet evaporator) نیز نام برده شده کمی متفاوت است. در این مدل، اواپراتور پر از مایع کم فشار شده و به واسطه سیرکوله طبیعی و تبدیل مایع به بخار درون اواپراتور یا به واسطه سیرکوله اجباری توسط یک پمپ، مایع به بخار تبدیل شده و از آب درون اواپراتور گرماگیری میشود.
معمولا در کنار اواپراتورهای فلادد یک شیر شناوری (که در دو نوع High pressure و Low pressure موجود است) نصب میگردد که میزان سطح مایع درون اواپراتور را کنترل میکند.
در نهایت اینکه معمولا از اواپراتورهای فلادد در چیلرهای بزرگ استفاده میشود که راندمان بالاتری نسبت به اواپراتورهای DX دارد ولی عیب اینجا است که این مدل چیلرها نیاز به شارژ خیلی بیشتری از مبرد نسبت به چیلرهای دارای اواپراتور DX هستند.
نمودار زیر دمای مبرد و آب خروجی از اواپراتور را در دو چیلر با اواپراتور فلادد و انبساط مستقیم مقایسه کرده است. همانطور که مشاهده میکنید در یک چیلر با اواپراتور فلادد، اختلاف دمای بین مبرد در حال تبخیر و آب خروجی از اواپراتور کمتر از چیلر با اواپراتور انبساط مستقیم میباشد.

مقایسه اواپراتور DX با اواپراتور فلادد
راهنمایی تخصصی

در این قسمت به برخی سوالات تخصّصی مربوط به چیلر پاسخ میدهیم. 

دوستانی که کار چیلر و تهویه مطبوع می‌کنند به چیلری که بر فرض 40 اسب کمپرسور روی آن نصب شده، چیلر 40 تن می‌گویند. دوستانی که کار کولر گازی می‌کنند برای نمونه به کمپرسور یک کولر با ظرفیت برودتی 24000 بی.تی.یو/ساعت، 2 اسب بخار می‌گویند.
اشتباه نکنید، در جملات فوق زمانیکه کلمه "اسب" ذکر می‌شود منظور توان سیم پیچ است و زمانیکه از کلمات "تن (تبرید)" یا "بی تی یو" برای کمپرسور استفاده شده منظور ظرفیت برودتی کمپرسور است. این دو عبارت یعنی "توان سیم پیچ" و "ظرفیت برودتی" کمپرسور دو چیز کاملا متفاوت است. ولی چه ارتباطی بین این دو برقرار می­باشد ؟
اجازه بدید در مبرد R22 ، دمای کندانس30+ و دمای اواپراتور حوالی 5+ درجه سانتیگراد (این دما "تقریبا" مخصوص سیستمهای تهویه مطبوع است) به کاتالوگ یکی از شرکت­های سازنده کمپرسور مانند بیتزر مربوط به سه کمپرسور 2GCE-2.2 توان 2 اسب، کمپرسور 4PE-15.2 توان 15 اسب و کمپرسور 6GE-40.2 با توان 40 اسب نگاهی بیاندازیم.
با نگاهی به کاتالوگ، در شرایط کاری ذکر شده فوق، ظرفیت برودتی سه کمپرسور بر حسب وات برابر است:
ظرفیت برودتی کمپرسور 2 اسب، 7.690 وات یا 2.1 تن تبرید است.
ظرفیت برودتی کمپرسور 15 اسب، 48.700 وات یا 13.8 تن تبرید است.
ظرفیت برودتی کمپرسور 40 اسب، 131.900 وات یا 37.4 تن تبرید است.
از طرفی هر 1 تن تبرید معادل 12000 بی.تی.یو/ساعت است. پس بطور کاملا تقریبی می‌توان نتیجه گرفت در شرایط تهویه مطبوع با مبرد R22 داریم:
ظرفیت برودتی کمپرسور 2 اسب = 2 تن تبرید = 24000 بی.تی.یو/ساعت میباشد.
ظرفیت برودتی کمپرسور 15 اسب = 15 تن تبرید = 180.000 بی.تی.یو/ساعت میباشد.
ظرفیت برودتی کمپرسور 40 اسب = 40 تن تبرید = 480.000 بی.تی.یو/ساعت میباشد.

در نهایت در تهویه مطبوع بطور کلی می‌توان با تقریب گفت:
در استفاده از مبرد R22، اگر X برابر توان سیم پیچ کمپرسور بر حسب اسب باشد: ظرفیت برودتی کمپرسور X اسب بخار = X تن تبرید = X*12000 بی.تی.یو/ساعت.
دقت کنید که هرچه دمای کندانس از 30+ درجه سانتیگراد فاصله گرفته و افزایش یابد و هرچه دمای اواپراتور از 5+ درجه سانتیگراد فاصله گرفته و کاهش یابد، ظرفیت برودتی کمپرسور افت بیشتری خواهد کرد، اختلاف بین ظرفیت اسمی و واقعی کمپرسور در سیستم تهویه مطبوع مورد نظر بیشتر خواهد شد و تناژ واقعی دستگاه با تناژ اسمی فاصله بیشتری خواهد گرفت.

تا بحال شاید نمونه­ هایی از محاسبات سر انگشتی زیر را شنیده باشید:
- در محاسبات سردخانه نگهداری زیر صفر، به ازای هر 10 متر مکعب حجم سالن 1 اسب بخار کمپرسور در نظر می‌گیرند.
- در محاسبات گرمایش یک ساختمان مسکونی در زمستان، به ازای هر 1 متر مربع، 1 پره رادیاتور فولادی در نظر می‌گیرند.
- در محاسبات سرمایش و انتخاب چیلر برای فضای مسکونی در تابستان، به ازای هر 30 متر مربع، 1 تن چیلر در نظر گرفته می‌شود.
- و.....
در عمده این محاسبات، یکی از مهمترین بارها پرت حرارتی/ برودتی بواسطه پرت از جداره­ های خارجی می‌باشد (توجه کنید که در سردخانه نگهداری، همانطور که از اسم آن پیداست هدف تنها نگهداری محصول و جلوگیری از افزایش دمای آن است و در محاسبات، دمای ورودی محصول به سالن سردخانه نزدیک به دمای نگهداری سالن سردخانه در نظر گرفته می‌شود).
در ابتدا به تشریح یک مسئله پرداخته و در نهایت به یک نتیجه کلی خواهیم رسید.
اگر به سالن، به ساختمان یا بطور کل به سازه به صورت یک بلوک نگاه کنیم، شرایط این بلوک با سه ابعاد مختلف را بررسی می‌کنیم.
در هر حالت، میزان پرت حرارتی/برودتی از رابطه (U.A.(T2-T1 بدست خواهد آمد که در آن U عبارتست از ضریب گذردهی از جداره خارجی سازه.

حالت اول) ابعاد 7 متر طول در 7 متر عرض ارتفاع 3 متر، مساحت کف تقریبا 50 متر مربع
در این وضعیت جمع مساحت دیوار شرقی، غربی، شمالی، جنوبی، سقف و کف برابر است با 182 متر مربع.
از تقسیم مجموع مساحت جداره­های خارجی به مساحت کف عدد 3.7 بدست خواهد آمد.

حالت دوم) ابعاد 16 متر طول در 16 متر عرض ارتفاع 3 متر، مساحت کف تقریبا 250 متر مربع
جمع مساحت دیوار شرقی، غربی، شمالی، جنوبی، سقف و کف برابر است با 704 متر مربع.
از تقسیم مجموع مساحت جداره­های خارجی به مساحت کف عدد 2.75 بدست خواهد آمد.

حالت سوم) ابعاد 29 متر طول در 29 متر عرض ارتفاع 3 متر، مساحت کف تقریبا 850 متر مربع
در این حالت نیز جمع مساحت دیوار شرقی، غربی، شمالی، جنوبی، سقف و کف برابر است با 2030 متر مربع.
از تقسیم مجموع مساحت جداره­های خارجی به مساحت کف عدد 2.41 بدست خواهد آمد.

در حالت اول: مساحت کف تقریبا 50 متر مربع، تقسیم جمع مساحت جداره­های خارجی به کف 3.70

در حالت دوم: مساحت کف تقریبا 250 متر مربع، تقسیم جمع مساحت جداره­های خارجی به کف 2.75

در حالت سوم: مساحت کف تقریبا 850 متر مربع، تقسیم جمع مساحت جداره­های خارجی به کف 2.41

می‌توان نتیجه گیری کرد هرچه حجم سازه بزرگتر می‌شود نسبت جمع مساحت جداره­ های خارجی به مساحت کف عدد کوچکتری می‌شود، به عبارت دیگر هرچه سازه بزرگتر می‌شود، نسبت جمع پرت حرارتی از جداره­ های خارجی به مساحت کف عدد کوچکتری خواهد شد.
نتیجه گیری کلی اینکه، در محاسبات سر انگشتی ذکر شده در ابتدای مبحث، نمودار خطی نمی‌باشد و با بزرگتر شدن حجم سازه به همان نسبت میزان پرت از جداره ­ها افزایش پیدا نمی‌کند.
نتیجه گیری فوق را به زبان خیلی ساده­ تر بدین گونه بیان می‌کنیم:
بر فرض اگر ما در محاسبات سر انگشتی سردخانه زیر صفر نگهداری گوشت منجمد برای حجم 10 متر مکعب کمپرسوری با توان 1 اسب بخار کمپرسور در نظر می‌گیریم، در سالنی با حجم 300 متر مکعب کمپرسور مورد نیاز ما 30 اسب بخار نخواهد بود و کمپرسور با توان کمتری موردنیاز است. بر فرض اگر در یک ساختمان 200 متر مربعی با ارتفاع 3 متر، هر تن چیلر 30 متر مربع فضا را خنک می‌کند، در یک ساختمان 1000 متر مربعی هر تن چیلر مساحتی به مراتب بزرگتر از 30 متر مربع را خنک خواهد کرد.