اکونومایزر در چیلر

اکونومایزر در واقع یک مبدل حرارتی است که با بهبود سیکل ترمودینامیکی چیلر، باعثِ افزایش نسبت برودت تولیدی به برق مصرفی می گردد. به زبان ساده تر، وجود اکونومایزر در چیلر، سبب افزایش راندمان آن خواهد شد.

کاربرد اکونومایزر

در دنیای مدرن، صرفه جویی در انرژی و حفظ منابع یک موضوع حیاتی است. بنابراین، امروزه در صنعت، رعایت شروط لازم برای به حداقل رساندن مصرف انرژی در طراحی و ساخت دستگاه ها و تجهیزات مصرف کنندۀ انرژی، یک وظیفۀ کلیدی است.

سرمایش از جمله فرایندهای پرکاربردی است که سهم زیادی در مصرف انرژی دارد. خنک سازیِ فرآیندها و محصولات، سردخانه های گلیکولی، تولید یخ در آیس بانک ها و بیش از همه سیستم های تهویه مطبوع در بسیاری از ساختمان ها نیاز به استفاده از چیلر دارند. از آنجاکه سیکل کاری چیلر عکس جریان طبیعیِ انتقال حرارت عمل کرده و گرما را از نقطۀ دما پایین به نقطۀ دما بالا منتقل کند، یک دستگاه مصرف کنندۀ انرژی محسوب می گردد.

پیشنهاد مطالعه:

بررسی فنی و طرز کار انواع چیلر تراکمی

بررسی و نحوه عملکرد انواع چیلر جذبی

فری کولینگ در چیلر چیست و چه کاربردی دارد؟

با توجه به استفادۀ گسترده، طرح های زیادی برای بهینه سازی و بهبود کارایی این سیستم ها ایجاد شده است. بکارگیریِ اکونومایزر در چیلر یا مینی چیلر، از جمله روش هایی است که می تواند منجر به ارتقای راندمان چیلر شود. اکونومایزر در واقع با بهبود سیکل ترمودینامیکی چیلر باعثِ افزایش نسبت برودت تولیدی به برق مصرفی می گردد. در این مقاله سعی می شود به نحوۀ عملکرد اکونومایزر در چیلر و چگونگی تأثیرگذاری آن در افزایش راندمان مصرف انرژی پرداخته شود.

اکونومایزر چیست؟  

اکونومایزر در واقع یک مبدل حرارتی است که از بخشی از جریان کل مبردِ خروجی از کندانسور برای خنک کردن باقیِ جریان مبرد استفاده می کند. سپس مبرد تبخیر شده با فشار متوسط به کمپرسور باز می گردد. از گاز سرد اکونومایزر نیز می توان برای تأمین خنک کاری اضافیِ کمپرسور استفاده نمود.

تصویر بالا نشان دهندۀ سیکل تبرید تراکی بخار هنگام بکارگیریِ اکونومایزر می باشد. همانطور که گفته شد، وقتی از اکونومایزر استفاده می شود، بخشی از جریان جرمی مبرد (ECO mass flow)، از جریان جرمیِ مبرد خروجی از کندانسور جدا می شود (نقطۀ 4). سپس این جریان جدا شده، توسط یک شیر انبساط تا فشاری بیشتر از فشار مکش و کمتر از فشار دهش کمپرسور (نقطۀ 6)، منبسط شده و کاهش دما پیدا می کند.

در اکونومایزر، از یک طرف این جریان جداشده و از طرف دیگر جریان اصلی مبرد وارد می شوند و با یکدیگر تبادل حرارت انجام می دهند. به این ترتیب، جریان جداشده، تبخیر می شود و با تقریباً 10 درجۀ کلوین سوپرهیت، به کمپرسور باز می گردد (نقطۀ 2). از آن طرف، جریان اصلی مبرد به علت از دست دادن گرما سابکول شده و به مایع مبرد مادون سرد با دمای پایین تر تبدیل می شود (نقطۀ 4u). به همین علت به اکونومایزر، سابکولر نیز گفته می شود. بسته به طراحی و سایز اکونومایزر، اختلاف دمای اکونومایزر ( ) بین دمای اشباع اکونومایزر ( ) و دمای مایع سابکول شده (دمای نقطۀ 4u)، تنظیم می شود.

پیش فرض نرم افزار Bitzer برای  (بر اساس استاندارد EN12900)، 5 درجۀ کلوین است. البته، تنطیمات جایگزین دیگری برای اکونومایزر در این نرم افزار وجود دارند که عبارتند از: میزان کاهش دمای مایع مبرد در اکونومایزر و دمای مایع مبرد پس از عبور از اکونومایزر

اکونومایزر چگونه باعث افزایش راندمان می شود؟ 

وجود اکونومایزر باعث سرد شدن جریان مبرد مایع (sub-cooling)، پیش از ورد به شیر انبساط می شود. این موضوع منجر به کاهش کیفیت بخار مبرد ورودی به اواپراتور می گردد.

درصدی از جریان مبرد، پس از عبور از شیر انبساط، به علت کاهش شدید فشار تبخیر می شود. به این ترتیب، جریان مبرد به شکل یک مخلوط دو فازی وارد اواپراتور می شود. منظور از کیفیت بخار، درصد بخار موجود در این مخلوط دو فازی است.

کاهش کیفیت بخار مبرد ورودی به اواپراتور باعث افزایش ظرفیت خنک کاری می شود. اما، چرا؟

پاسخ این پرسش در رابطه ای نهفته است که ظرفیت برودتی چیلر و به عبارت دیگر ظرفیت برودتی اواپراتور از طریق آن محاسبه می شود:

رابطۀ بالا نشان می دهد که برودت تولیدشده در اواپراتور ناشی از دو فرایند است:

1- تبخیر مبرد مایع

2- افزایش دمای بخار حاصل از تبخیر (سوپرهیت اواپراتور)

اما، نکتۀ مهم اینجاست که نزدیک به 99 درصد از ظرفیت برودتیِ اواپراتور، در واقع ناشی از فرایند اول است. بنابراین، هرچه کیفیت بخار کمتر باشد، به این معناست که دبی جرمی مبرد مایعِ ورودی به اواپراتور (دبی جرمی مبرد مایع)، بیشتر است؛ در نتیجه، به ازای یک دبی جرمی کلِ یکسان (دبی جرمی کل مبرد)، هرچه، کیفیت بخار پایین تر باشد، در اواپراتور برودت بیشتری تولید می شود.

سوال بعدی این است: چرا سابکولِ بیشتر باعث کاهش کیفیت بخار می شود؟ برای درک بهتر پاسخ این پرسش می بایست، مجددا نگاهی به نمودار زیر بیندازیم:

در صورتی که از اکونومایزر استفاده نشود و با فرض اینکه در کندانسور هیچ سابکولی اتفاق نیفتد، وضعیت جریان مبرد در ورود به اوپراتور، معادل نقطۀ X خواهد بود.

نسبت فاصلۀ L-X به L-V در واقع همان تعریف کیفیت بخار است.  

اما، اگر از اکونومایزر (سابکولر) استفاده شود، وضعیت جریان مبرد در ورود به اوپراتور، معادل نقطۀ 5 خواهد بود و همانطور که کاملاً مشخص است در این نقطه، کیفیت بخار (نسبت فاصلۀ L-5 به L-V)، به مراتب پایین تر می باشد. در نتیجه، ظرفیت برودتی اواپراتور به اندازۀ  افزایش می یابد.

افزایش سابکول بدون استفاده از اکونومایزر

افزایش سابکول در چیلر بدون استفاده از اکونومایزر، امکانپذیر است. یکی از این روش ها، افزایش سایز کندانسور می باشد. در واقع، در کندانسور علاوه بر کاهش دمای بخار داغ خروجی از کمپرسور (De-superheating) و تبدیل بخار اشباع به مایع اشباع (Condensing)، می تواند بخشی از سطح تبادل حرارتی به کاهش دمای مایع اشباع (Sub-cooling)، اختصاص داده شود. اما، این موضوع بمنزلۀ افزایش سایز کندانسور بوده که در سیستم های چیلر هواخنک تأثیر قابل ملاحظه ای در سایز دستگاه و البته قیمت تمام شده خواهد داشت.  

روش دیگری برای افزایش سابکول در چیلر بدون استفاده از اکونومایزر وجود دارد و آن روش، نصب آکومولاتورِ مجهز به مبدل حرارتی در خط مکش کمپرسور می باشد. آکومولاتور یا جداکنندۀ مایع تجهیزی است که برخی از تولیدکنندگان در خط مکش کمپرسور از آن استفاده می کنند تا در صورت وجود مایع در جریان مبرد خروجی از اواپراتور، اجازۀ عبور مایع مبرد به سمت کمپرسور داده نشود.

همانطور که در تصویر بالا دیده می شود، پس از آنکه جریان مبرد خروجی از اواپراتور وارد آکومولاتور می گردد، به دلیل سنگین تر بودن مایع نسبت به گاز، مبرد مایع در کف مخزن جمع شده و بخار مبرد از بالای مخزن و از طریق لولۀ U شکل، به سمت کمپرسور کشیده می شود. مبرد مایع که آغشته به روغن نیز می باشد از سوراخ ریزی (اوریفیس) وارد لوله شده که باعث تبخیر شدن آن می شود. این چنین همراه با جریان اصلی بخار از آکومولاتور خارج می شود.

این آکومولاتورها در اصطلاح دو لوله ای هستند. اما، نوع دیگری از آکومولاتورها وجود دارد که آنها را چهار لوله ای می نامند. این آکومولاتورها بعنوان یک مکانیزم بازیافت انرژی، علاوه بر جلوگیری از عبور مایع، باعث افزایش سابکولِ خط مایع و همچنین افزایش سوپر هیتِ خط مکش می شوند. به گونه ای که در آنها، مایع خروجی از کندانسور از درون مخزن عبور داده شده تا به این ترتیب با ایجاد تبادل حرارت بین جریان خط مایع و جریان خط مکش، میزان سابکول و سوپرهیت افزایش یابد.

این چنین می توان از آکومولاتور چهار لوله ای به عنوان راهکاری برای افزایش سابکول استفاده نمود. هرچند که قابلیت این مکانیزم در افزایش سابکول کمتر از اکونومایزر است، اما، هزینۀ تمام شدۀ آن پایین تر می باشد.

می بایست توجه نمود که افزایش سوپر هیت در خط مکش، منجر به کاهش دبی جرمی مبردِ عبوری به سمت کمپرسور می شود؛ چراکه با افزایش دمای بخار مبرد، چگالی آن کاهش می یابد و طبیعتاً این موضوع تأثیر منفی در ظرفیت برودتی دستگاه خواهد داشت

میزان تأثیر اکونومایزر در افزایش راندمان 

همانطور که گفته شد، اکونومایزر در واقع با افزایش میزان سابکول و در نتیجه کاهش کیفیت بخار، باعثِ افزایش ظرفیت برودتی می شود. بنابراین، می توان نتیجه گرفت، هرچقدر در سیکلی که اکونومایزر ندارد، کیفیت بخار بالاتر باشد، به همان تناسب تأثیر اضافه شدن اکونومایزر به سیکل در افزایش راندمان بیشتر خواهد بود.

اگر دوباره به نمودار سیکل تبرید توجه کنیم، متوجه خواهیم شد که در چه مواقعی، کیفیت بخارِ مبرد ورودی به اواپراتور بالاتر می باشد.

می دانیم که هر چه فاصلۀ نقطۀ 4 با نقطۀ 4^‘ بیشتر باشد، به معنای کیفیت بخار بالاتر است. سوال این است که در چه مواقعی این فاصله بیشتر است. طبیعی است که هر چه فشار تقطیر بیشتر باشد و یا هرچه فشار تبخیر پایین تر باشد (در کل هر چه نسبت تراکم در کمپرسور بیشتر باشد)، این فاصله و در نتیجه کیفیت بخار بیشتر خواهد بود.

بنابراین، در چیلرهایی که فشار تقطیر بالاست (چیلرهای هواخنک در مناطق گرمسیری) و یا در چیلرهایی که فشار تبخیر پایین است (چیلرهای زیر صفری)، اکونومایزر بیشترین تأثیر را در افزایش راندمان چیلر خواهد داشت.

دقیقاً به همین علت، در چیلر آب خنک که با هدف و کاربری تهویه مطبوعطراحی شده است، استفاده از اکونومایزر مقرون به صرفه نخواهد بود.

اکنون می خواهیم با نگاهی به خروجی های نرم افزار Bitzer در یک نمونۀ چیلر هوا خنک با کاربری تهویه مطبوع، تأثیر وجود اکونومایزر در تغییر راندمان کمپرسور را مشاهده کنیم.

همانطور که مشاهده می شود، با فرض عدم وجود سابکول درون کندانسور، نسبت راندمان انرژی در خروجی دوم، نزدیک به 4 درصد بیشتر از خروجی اول است. بنابراین، در هر چیلر، می بایست با توجه به شرایط کاری آن چیلر، توجیه استفاده از اکونومایزر بررسی شود. چراکه با وجود کوچک شدن سایز کمپرسور، گاهی اضافه شدن اکونومایزر به دستگاه به دلیل اضافه شدن اجزایی از جمله مبدل حرارتی، شیر انبساط، سنسور دما و ترانسمیتر فشار، فیلتر درایر، شیر یکطرفه و البته لوله کشی، قیمت خرید چیلر را افزایش می دهد. در نتیجه، بایستی افزایش راندمان به حدی باشد که افزایش قیمت خرید چیلر توجیه پذیر باشد.

باید توجه داشت که استفاده از اکونومایزر صرفاً در سیستم های چیلر اسکرو و سانتریفیوژ امکانپذیر است؛ چراکه، مکانیزم تراکم در کمپرسورهای پیستونی مورد استفاده در چیلر پیستونی و کمپرسور اسکرال بکار رفته در چیلر اسکرال، به گونه ای است که امکان اضافه شدن جریان مبرد در فشار متوسط به کمپرسور وجود ندارد.  

طراحی و ساخت اکونومایزر چیلر

شرکت مهندسی تهویه نگار تولید کننده انواع سیستم های برودتی و تهویه مطبوع با بیش از یک دهه سابقه صنعتی است. این شرکت برای چیلرهای های اسکرو و سانتریفیوژ متعددی همراه با تکنولوژی اکونومایزر طراحی کرده است. برای اطلاعات بیشتر در مورد چیلرها و استعلام قیمت، لطفا با کارشناسان فروش ما در تماس باشید.

کارشناس فروش 09102072884