در این مقاله سعی داریم به طور مختصر طراحی سیستمهای چیلر را بررسی کنیم. همانطوریکه که در صفحه مربوط به چیلر گفتیم، هدف از چیلر تامین سرمایش مورد نیاز در فضاهای و اماکن صنعتی، تجاری، اداری و مسکونی است. عمدتاً هوا و آب دو سیالی هستند که در یک سیستم سرمایش توسط چیلر، به کار گرفته میشوند. سیستمهای خنک سازی آب و هوا از قسمتهای کاربردی زیر تشکیل شده است:
- چیلرهایی که آب یا هوا را خنک میکنند.
- جریان در مدار که غالباً در کویلها برقرارند و باعث انتقال گرما از هوا به آب یا بالعکس میشوند.
- پمپها و لولههای توزیع آب سرد.
- پمپهای آب، کندانسورها، برجها و برجهای خنک کننده یا فنهای کندانسور که گرمای چیلر را به هوای محیط منتقل میکنند.
- کنترلهایی که عملکرد اجزای مکانیکی را با هم به عنوان یک سیستم تنظیم میکنند.
در بیشتر موارد، هدف چیلر این است که آب را سردتر کند. بعضی از چیلرها مخلوطی از آب و سایر مواد شیمیایی را خنک میکنند که معمولاً برای جلوگیری از یخزدگی در کاربریهای با دمای پایین به آن اضافه میشوند. از مواد افزودنی دیگری نیز ممکن است برای اصلاح خواص مایع استفاده شود و در نتیجه آن را برای کاربرد مورد نظر مناسبتر سازد.
چیلر، گرمای استخراج شده از آب سرد را به علاوه گرمای متراکم شده (در چرخه چیلر تراکمی) یا گرمای جذب (در چرخه چیلر جذبی) را به هوای محیط (هوا خنک) یا به مدار دیگری از آب (آب خنک) منتقل میکند. اگر موتور کمپرسور به عنوان متراکم کننده مبرد استفاده شود، چیلر گرمای تولید شده توسط موتور را نیز دفع میکند. در کندانسورهای خنک کننده هوا، از فن برای تسهیل خنک سازی توسط هوای محیط استفاده میشود. در کندانسورهای آب سرد، معمولاً از برج خنک کننده تبخیری استفاده میشود. پس از سرد شدن، آب از طریق پمپها، لولهها و شیرها توزیع میشود؛ جایی که یک مبدل حرارتی به عنوان مثال یک کویل خنک کننده مجهز به یک فن دمنده، گرما را از هوا به محیط منتقل می کند و به چیلر برمیگرداند.
گزینههای طراحی سیستمهای چیلر
گزینههای زیادی برای طراحی چیلر وجود دارد. با این حال، به معنای اساسی هر گزینه تابعی از جریان، دما، پیکربندی سیستم و کنترل است. لازم به یادآوری است که دما و شدت جریان متغیرند. با انتخاب منطقی این متغیرها، سیستمهای آب سرد را میتوان به گونهای طراحی کرد که هم نیازهای آب سرد را برآورده کند و هم مقرون به صرفه باشد. سیستم چیلرها اغلب با استفاده از نرخ جریان و درجه حرارت اعمال شده در استانداردهای آزمایشگاهی ساخته شده توسط موسسه تهویه مطبوع، گرمایش و برودت (ASHRAE) ، ARI 550 / 590-2003 برای چیلرهای تراکمی و ARI 560-2000 برای چیلرهای جذبی طراحی میشوند. این معیارها شرایط لازم برای آزمایش و درجه بندی چیلرها را فراهم میکنند. این استانداردها برای توصیف میزان جریان مناسب یا بهینه یا اختلاف دما برای هر سیستم خاصی در نظر گرفته نشدهاند.
انتخاب خنک کننده آب و کندانسور
دما و سرعت جریان باید متناسب با هم انتخاب شوند تا یک سیستم خنک سازی آب کارا و انعطاف پذیر طراحی شود. با توجه به راهنمایی که برای میزان جریان آب سرد و کندانسور در ASHRAE Green Guide 8 (pp 146-147) آمده است: در سالهای اخیر، نیاز به افزایش 60 درصدی حداقل کارایی چیلر از ضریب عملکرد 3.80 به ضریب عملکرد 6.1 منجر به بررسی مجدد مفروضات مورد استفاده در طراحی مسیرهای جریان و در انتخاب محرکها (پمپها) با چشم اندازی برای کاهش مصرف انرژی شده است. به بیان ساده، با افزایش اختلاف دما در سیستم چیلر میتوان سرعت جریان پمپ آب سرد را کاهش داد.
تعیین درجه حرارت استاندارد
در حال حاضر درجه حرارت استاندارد در ARI 550/5905 و ARI 5609 عبارتند از:
- اواپراتور دمای آب خروجی : 44 درجه فارنهایت [6.7 درجه سانتیگراد]
- کندانسور آب خنک، دمای آب ورودی : 85 درجه فارنهایت [29.4 درجه سانتیگراد]
- کندانسور هواخنک: ۹۵ درجه فارنهایت (۳۵ درجه سانتیگراد)
برای سالها، این تعاریف دما معیارهای طراحی سیستم بودند. امروزه طراحان دماهای مختلفی را اعمال میکنند. استاندارد ARI 550/590 با تعیین محدوده انتخاب دمای آب سرد و کندانسور در نقاط غیراستاندارد و آزمایشی چیلر طبق استاندارد مشخص شده این روند را منعکس میکند.
دمای آب سرد و تاثیر آن در طراحی سیستمهای چیلر
در حال حاضر چیلرها به راحتی با تامین دمای آب سرد از 44 درجه فارنهایت [6.7 درجه سانتیگراد] تا 38 درجه فارنهایت [3.3 درجه سانتی گراد] و در بعضی موارد تا 34 درجه فارنهایت [1.1 درجه سانتی گراد] نیز طراحی میشوند. دلایل کاهش دمای آب سرد را میتوان به صورت زیر بیان کرد:
- دامنه دمایی وسیعتری نسبت به شرایط استاندارد درجه حرارت تعیین میشود.
- دمای پایین آب امکان انتخاب دمای پایین هوا (و جریان ها) را فراهم میکند، در نتیجه هزینههای نصب و عملیاتی محیط باز کاهش مییابد.
- آب خنک در همان کویل آب سرد ممکن است رطوبتزدایی بهتری ایجاد کند.
- از آب سردتر میتوان برای افزایش ظرفیت سیستم توزیع آب سردخانه صنعتی موجود استفاده کرد. در بعضی موارد، این روند میتواند در هزینهها، به مقدار قابل توجهی صرفه جویی کند. برخی از طراحان سیستم در استفاده از دمای پایینتر از آب سرد تردید دارند؛ زیرا این کار باعث کاهش کارایی چیلر میشود.
باید به این نکات توجه داشت که:
- دمای پایین آب باعث میشود چیلر کار بیشتری انجام دهد. هر چند دمای پایین آب، باعث افزایش مصرف انرژی چیلر میشود. اما شدت جریان آب سرد و انرژی پمپ را به میزان قابل توجهی کاهش میدهد. این ترکیب اغلب باعث کاهش مصرف انرژی سیستم میشود.
- برای جلوگیری از تراکم ناخواسته (“تعریق”) ممکن است برای دمای پایینتر آب سرد نیاز به عایق بندی روی لولهها باشد.
کنترل دمای آب کندانسور
چیلرهای امروزی میتوانند در دماهای مختلفی از دمای طراحی تا کمترین حد مجاز کار کنند. با این حال، بسیاری از چیلرهای قدیمی موجود در دمای مجاز کندانسور آبی محدود هستند. شدت جریان کندانسور آب خنک و انتخاب شدن جریان آب کندانسور، ابزاری قدرتمند است که طراحان در اختیار دارند. به گفته محققین كاهش شدت جریان میتواند هزینههای نصب و یا راندمان چیلر را كاهش دهد. برطبق اعلام ASHRAE Green Guide8: “کاهش شدت جریان کندانسور آب خنک و بالعکس افزایش اختلاف دما نه تنها میتواند هزینه عملیاتی را کاهش دهد، بلکه مهمتر از آن، میتواند هزینه سرمایهگذاری اولیه را کاهش دهد و به آنها اجازه میدهد تا برای افزایش راندمان کل، در محیطهای عملیاتی دیگر استفاده شوند.”
تعیین شدت جریان چیلر تراکمی
در حال حاضر شرایط درجه بندی استاندارد نرخ جریان برای چیلرهای تراکمی در ARI 550/590 عبارتند از:
برای اواپراتور : 2.4 gpm/ton [0.043 l/s/kW]
برای کندانسور : 3.0 gpm/ton [0.054 l/s /kW]
این میزان جریان اواپراتور مربوط به اختلاف دما 10 درجه فارنهایت [5.6 درجه سانتی گراد] است. بسته به بازده کمپرسور، اختلاف دمای کندانسور مربوطه از 9.1 درجه فارنهایت تا 10 درجه فارنهایت [5.1 درجه سانتیگراد تا 5.6 درجه سانتیگراد] است. چیلرهای جذبی با استفاده از ARI Standard 560–2000 ، درجه بندی میشوند. نرخ جریان اواپراتور همان نرخ استفاده شده در ARI 550/590 است. با این حال، سرعت جریان کندانسور با توجه به نوع طراحی چیلر جذبی متفاوت است. جدول زیر شرایط استاندارد درجه بندی چیلرهای مختلف جذبی را نشان میدهد.
داشتن درک روشنی از مفاهیم چیلر و کاربرد آنها بسیار حیاتی است. هیچ چیز به خصوص پیچیدهای در مورد اصول طراحی سیستم چیلر وجود ندارد. در عوض، طراحی سیستم چیلر صرفاً با استفاده از چند قانون اساسی ترمودینامیک انجام میشود. گزینههای بی شماری برای طراحی و بهرهبرداری از چیلرها در دسترس است. این گزینهها شامل میزان جریان، دما، تنظیمات سیستم و گزینههای کنترل هستند. پس از تعیین نیازها و خواستههای مالکین ساختمان و مجری کارخانه چیلر، استفاده منطقی از این گزینهها به طراحان این امکان را میدهد تا راه حلهایی برای ارزش واقعی پیدا کنند.
