اساس کار چیلر تولید آب سرد مورد نیاز برای مصارف گوناگون می باشد. چیلرها به صورت انواع مختلف ساخته و در سیستمهای تهویه مطبوع و سرمایش صنعتی که نیاز به آب سرد دارند مورد بهره برداری قرار می گیرند .

چیلرها از لحاظ سیکل تبرید و فرایند کاری در دو دسته کلی زیر قرار می گیرند:

• چیلر تراکمی
• چیلر جذبی

در چیلرهای تراکمی با مصرف برق و چیلرهای جذبی با مصرف انرژی گرمایی آب سرد تولید می شود که توضیحات مفصل در خصوص این دو دسته چیلر خارج از این نوشتار است و در ادامه تنها به  بخشی از چیلرهای تراکمی می پردازیم.

چیلر تراکمی

اولین دسته از کمپرسورهای به کار گرفته شده در چیلرهای تراکمی آبی، کمپرسورهای سانتیفیوژ می باشد. قدرت و هنر ساخت کمپرسورها قبلا در سال ۱۹۱۷ جهت کمپرسورهای هوا موجود بوده است. در آن زمان ولیامز کریر پدر علم تهویه مطبوع متوجه به کار گیری و استفاده از این پتانسیل در تهویه مطبوع نو پای آن زمان  شد. در سال ۱۹۲۲ شرکت کریر با تهیه کمپرسور هوا از یک شرکت آلمانی ، آن راجهت استفاده از مبرد R11 بهسازی و اصلاح کرد و بعد از  توسعه آن اولین چیلر با کمپرسور برودتی سانتریفیوژ ساخته شد. این چیلر تا سال ۱۹۵۰ مورد استفاده قرار گرفت و سپس این چیلر بازنشسته شد. هم اکنون این چیلر در موزه افتخارات ملی صنایع ایالات متحده امریکا به نمایش گداشته شده است. دومین چیلر تراکمی آبی نیز در سال ۱۹۲۳ طراحی و ساخته شد. در همان آغاز دهه بیست چیلر تراکمی آبی بسیار مورد پذیرش قرار گرفت که از دلایل آن می توان به اطمینان بالا، بازده مناسب و طراحی  و ساخت ساده آن اشاره نمود.

انواع چیلرهای تراکمی

دسته‌بندی چیلرهای تراکمی بر اساس نوع کندانسور و نوع کمپرسور صورت می‌گیرد. در دسته بندی کلی چیلرهای تراکمی از لحاظ نوع کندانسور به دو دسته ی زیر تقسیم بندی می شوند :

1- چیلر تراکمی آب خنک ( آبی )

2- چیلر تراکمی هوا خنک ( هوایی )

که در دسته بندی جزئی تر چیلرهای تراکمی (آب خنک و هواخنک )بر اساس نوع کمپرسور به دسته بندی زیر تقسیم می شوند :

1-پیستونی

2-اسکرال

3-اسکرو

4-سانتریفیوژ

نحوه عملکرد چیلر تراکمی

در عملکرد تمامی چیلرهای تراکمی ،چهار فرایند ترمودینامیکی اتفاق می‌افتد:

1. تراکم (Compression) توسط کمپرسور
2. چگالش (Condensation) توسط کندانسور
3. اختناق (Throttling) توسط شیر انبساط
4. تبخیر (Evaporation) توسط اواپراتور

در چیلرهای تراکمی نیز مطابق تعریف سیکل تبرید تراکمی، گاز مبرد به شکل بخار اشباع با دمایی پایین وارد کمپرسور شده تا متراکم گردد. در نتیجه، فشار و متعاقباً دمای مبرد بالا می رود. سپس بخار داغ ( Super heat) خروجی از کمپرسور که اکنون دمای بالایی دارد، وارد کندانسور شده و گرمایَش جذب می شود. بنابراین بخار داغ تقطیر شده و به مایعی با دمای بالا تبدیل خواهد شد. در ادامه بواسطه فرایند اختناق در شیر انبساط، افت فشار زیادی در جریان مبرد ایجاد می گردد که ضمن کاهش دمای آن، باعث تبخیر مقداری از مایع مبرد نیز می شود. جریان سرد و دوفازی مبرد (مخلوط مایع و بخار) بلافاصله پس از خروج از شیر انبساط وارد اواپراتور شده تا با جذب گرمای آب ورودی، دمای آن را کاهش دهد. به این ترتیب، مایع مبرد کاملاً تبخیر شده و با ادامه جذب گرما، به شکل بخار اشباع دما پایین از اواپراتور خارج و مجدداً به کمپرسور بازمی گردد تا این چنین فرایندهای ترمودینامیکی سیکل تبرید در چیلر تکمیل شده و آب سرد مورد نیاز تولید گردد.

چیلر تراکمی آب خنک

چیلر تراکمی آب خنک که به آن چیلر آب خنک یا چیلر آبی نیز گفته می شود، با استفاده از انرژی الکتریکی باعث ایجاد سرما و برودت می شود. چیلر آبی بر پایه سیکل تبرید تراکمی کار کرده و از قسمت های اصلی کمپرسور با موتور محرک الکتریکی (الکتروموتور) ، کندانسور ، اواپراتور ، شیر انبساط الکترونیکی ، مبرد و و نیز تجهیزات برج خنک کننده و پمپ های گردش آب برج خنک کننده و گردش آب سرد تولیدی از چیلر تشکیل می شود تا عمل سرد سازی آب را در مبدل حرارتی به نام اواپراتور انجام داده و آب سرد شده از طریق لوله کشی به دستگاه های خنک کننده هوای ساختمان مانند هواساز و فن کویل و یا کاربردهای صنعتی ارسال شود.

در چیلرهای آب خنک از کندانسور آبی به عنوان عامل چگالش (Condensation) در سیکل تبرید استفاده می شود که مبرد سوپرهیت خارج شده از کمپرسور حرارت خود را به آب خنکی که از برج خنک کننده تامین شده است می دهد. به همراه چیلر آبی باید از برج خنک کننده نیز جهت خنک کاری آب کندانسور استفاده شود.

از چیلر آب خنک می‌توان جهت سرمایش واحدهای مسکونی، تجاری، اداری و مجتمع‌های فرهنگی – تفریحی، ورزشی و همین‌طور سرمایش فرآیندی در صنایع شیمیایی، دارویی، غذایی و … و همین‌طور خنک‌کاری تجهیزات و دستگاه‌های صنعتی و پزشکی استفاده کرد.

تولید سرمایش در چیلر آب خنک بر اساس سیکل تراکمی – تبخیری کار است و در ظرفیت‌های متوسط (بین 20 الی 80 تن تبرید) و بزرگ (100 الی 1000 تن تبرید) طراحی و تولید می‌شود.

چیلر تراکمی هواخنک

چیلر هوا خنک تراکمی، چیلری بر مبنای چرخه تبرید تراکمی است و فرایند ترمودینامیکی و چرخه ی عمکلرد تبرید یکسانی مانند چیلرهای آب خنک دارد با این تفاوت که نوع کندانسور آن با چیلر آب خنک متفاوت است. به این نوع چیلر، چیلر هوایی نیز گفته می‌شود. کندانسور چیلر هوایی، متشکل از فن‌هایی است که هوا را با شدت حول لوله‌های حامل گرمای اتلافی عبور می‌دهد و از طریق جریان اجباری ایجاده شده توسط فن های چیلر بر روی کندانسور ، مبرد داخل لوله های مسی تقطیر و مایع می شود. در چیلرهای هواخنک نیازی به برج خنک کننده یا آب برای خنک سازی کندانسور و چگالش مبرد وجود ندارد.

 فرآیندهای ترمودینامیکی در چیلر آب خنک و هوا خنک

1-فرایند تراکم – کمپرسور(در هر دو نوع چیلر یکسان است):

کمپرسور عامل فرایند تراکم در سیکل تبرید تراکمی بخار می‌باشد. آنجا که با متراکم شدن گاز مبرد، انرژی لازم برای به جریان انداختن آن ایجاد می‌گردد. در چیلرهای آب خنک، با توجه به میزان ظرفیت برودتی دستگاه، نوع مبرد مصرفی، کاربری پروژه و عوامل دیگر، از کمپرسورهای متنوعی می‌توان استفاده نمود. با توجه به هزینه های تولید و صرفه اقتصادی از کمپرسورهای اسکرال در ظرفیت‌های برودتی پایین و معمولاً از کمپرسورهای اسکرو و سانتریفیوژ در چیلرهای ظرفیت بالا استفاده می‌شود.

2-فرایند چگالش – کندانسور:

کندانسور، مجموع گرمای منتقل شده به مبرد (ناشی از فرایند تراکم در کمپرسور و فرایند تبخیر در اواپراتور) را دفع کرده تا منجر به چگالش بخار مبرد شود.

در کندانسور آبی که معمولاً به شکل مبدل حرارتی پوسته و لوله طراحی و تولید می‌شود، بخار داغ خروجی از کمپرسور، از بالا وارد پوسته مبدل شده و در تماس با جداره سرد لوله‌هایی قرار می‌گیرد که جریان آب خنک تولیدی توسط برج خنک کننده از درون آن ها عبور می‌کند و با انتقال حرارت از بخار سوپرهیت به آب خنک برج خنک کن، چگالش صورت می گیرد و مبرد به مایع تبدیل می شود.

درکندانسور هوایی که معمولا به صورت شبکه ای از لوله مسی به همراه روکش های فین می باشد ، بخاطر داغ با عبور از داخل لوله مسی و خنک کاری لوله های مسی با کمک های فین های آن از طریق جریان هوای پرفشار ایجاده شده توسط فن های دستگاه حرارت خود را از دست داده و به مایع تبدیل می شود.

3-فرایند اختناق – شیر انبساط(در هر دو نوع چیلر یکسان است):

به عبارتی ساده، فرایند اختناق، بیانگر انبساط (کاهش فشار) مایع مبرد از طریق کاهش سطح مقطع عبور جریان می‌باشد که نتیجه آن کاهش دمای مبرد نیز خواهد بود. چنین فرایندی در سیکل تبرید توسط شیر انبساط محقق می‌شود. بنابراین، شیر انبساط با کنترل مقدار جریان عبوری، دمای مبرد ورودی به اواپراتور و در نتیجه دمای آب سرد خروجی از چیلر را تعیین می‌کند. علاوه بر این، شیر انبساط، با توجه به مقدار فشار و دمای مبرد خروجی از اواپراتور، میزان بخار اشباع ایجادشده در جریان خروجی از اواپراتور را تنظیم کرده تا بدین وسیله از ورود مایع مبرد به کمپرسور جلوگیری شود. اساساً دو نوع شیر انبساط وجود دارد:

شیر انبساط مکانیکی:

در این نوع شیر انبساط، یک حباب حسگر دما (Temperature sensing bulb) در خروجی مبرد از اواپراتور نصب می گردد. میزان بخار اشباع ایجادشده در اواپراتور، توسط این حسگر تشخیص داده شده و بر این اساس، مقدار جریان مبرد ورودی به اواپراتور به شکل مکانیکی کنترل می شود. این نوع از شیرهای انبساط را ترموستاتیکی نیز می نامند.

شیر انبساط الکترونیکی:

نوع دیگری از شیرهای انبساط که با اندازه گیری همزمان دما و فشار مبرد خروجی از اواپراتور، میزان مایع مبرد ایجادشده در اواپراتور را تنظیم می کند. بطوریکه با اندازه گیری فشار، دمای اشباع معادل (دمای تبخیر مبرد در اواپراتور) را تشخیص داده و با اندازه گیری دما، اختلاف دمای بخار خروجی از اواپراتور و دمای تبخیر مبرد ورودی به اواپراتور، مشخص می‌شود. بر این اساس، مسیر عبور جریان مبرد، با فرمان یک کنترلر الکترونیکی کم و زیاد شده تا میزان مایع مبرد مورد نظر حاصل گردد. دقت کنترل جریان در این نوع از شیرهای انبساط به مراتب بالاتر است.

4-فرایند تبخیر – اواپراتور(در هر دو نوع چیلر یکسان است):

تبخیر آخرین فرایند ترمودینامیکی سیکل تبرید است که آب سرد تولیدی چیلر، محصول این فرایند می باشد و اواپراتور عاملی است که در قالب یک مبدل حرارتی، با انتقال گرمای جریان آب به مبرد سرد ورودی، ضمن کاهش دمای آب، باعث تبخیر کامل مایع مبرد نیز می شود.

مزایا و معایب چیلر آب خنک

مزایا :

• هزینه خرید اولیه پایین
• مصرف برق پایین
• عدم نیاز به فضای باز و دسترسی به هوا آزاد
• سطح صدا و لرزش کم
• ابعاد و اندازه کوچک مخصوصاً در ظرفیت‌های بالای برودتی
• فشار کاری پایین
• راندمان سرمایشی بالا
• مناسب جهت کار در دماهای زیرصفری

معایب:

• هزینه تعمیرات و نگهداری بالا
• نیاز به برج خنک‌کننده
• نیاز به سیستم پمپاژ برج خنک‌کننده
• نیاز به سختی گیر آب جبرانی برج خنک‌کننده
• محدودیت در انتخاب اقلیم
• وابسته بودن چیلر به برج خنک‌کننده
• مصرف زیاد آب

مزایا و معایب چیلر هواخنک

مزایا:

• هزینه نصب چیلر هوایی به دلیل کم بودن تعداد تجهیزات، کم‌تر است.
• چیلر هوایی در بیرون از ساختمان و معمولا روی سقف نصب می شود و نیازی به موتورخانه ندارد. این یعنی فضای بیشتری در ساختمان قابل استفاده است.
• چیلر هوا خنک به دلیل قطعات کمتر، نگهداری راحت‌تری در مقایسه با چیلر آب خنک دارد.
• سیستم چیلر هوا خنک بسیار ساده بوده و نیازی به پمپ و برج خنک کننده برای کندانسور ندارد.
• عدم مصرف آب(برای کشور ایران با کمبود منابع آبی گزینه ی بسیار خوبی است)

معایب:

• راندمان پایین تر و مصرف برق بالاتر نسبت به چیلر آب خنک
• صدای زیاد فن و کمپرسور
• طول عمر پایین تر نسبت چیلرهای آب خنک. دلیل این امر، قرار داشتن این نوع چیلر مقابل آفتاب، باران، رطوبت، برف و باد است که آسیب زا می‌باشند.
• چیلر هوایی به علت داشتن ضریب عملکرد پایین تر نسبت به چیلر آب خنک، و همچنین به علت گرانتر بودن کندانسور هوایی نسبت به کندانسور آبی، هزینه اولیه و جاری بالاتری نسبت به چیلرهای آبی دارد.

نتیجه گیری

در یک جمع بندی ساده باید بگوییم که نیاز دقیق یک پروژه و مقایسه سیستم های مختلف تبرید و تهویه مطبوع در پروژه های مختلف، نیاز به اطلاعات کافی و بررسی آن توسط متخصصان این حوزه دارد که با وجود تامین نیازهای فنی یک پروژه، صرفه اقتصادی نیز برای کارفرمایان در نظر گرفته شود و در واقع هدف، رسیدن به یک نقطه تعادل (Trade off) منطقی است تا مناسب ترین سیستم یا دستگاه در پروژه مورد نظر انتخاب شود. بطور کلی چیلر آب خنک به دلیل فشار کاری کمتر، راندمان بیشتر و صدا و لرزش کمتر، انتخاب مناسب و اقتصادی‌تری می‌باشد اما باید به این نکته توجه داشت که هزینه نگهداری و تعمیرات بالا و مصرف بالای آب آن مخصوصاً در شرایط کنونی، از جایگاه آن به عنوان انتخاب اول می‌کاهد.

از چیلر آب خنک نمی‌توان در مناطق با رطوبت نسبی بالا استفاده نمود و برای شهرهای شمالی و جنوبی ایران چیلر هواخنک بهترین گزینه می باشد.. هم چنین دمای سابکول (subcool) پایین در چیلر آب خنک و فشار کاری پایین، آن را مناسب‌ترین گزینه جهت تولید سرمایش زیر صفر در فرآیندهای شیمیایی، دارویی و صنعتی می‌نماید. چیلرهای آب خنک، خصوصاً در ظرفیت های برودتی بالا، در مقایسه با چیلرهای هوا خنک، به مراتب مصرف برق کمتری داشته و هزینه خرید آن ها نیز پایین تر است و در ظرفیت های پایین و پروژه های مسکونی متراژ پایین و دستگاه های صنعتی فرایند تولید چیلرهای هواخنک گزینه بهتری می باشند.