چیلر توربوکور

چیلر توربوکور در واقع نوعی چیلر تراکمی است که به کمپرسورهای بدون روغن(Oil-free compressors) مجهز شده است. به طور معمول اکثر سازندگان چیلرهای توربوکر، از کمپرسور سانتریفیوژ مجهز به بلبرینگ های مغناطیسی در ساخت این نوع چیلر استفاده می کنند. شرکت دانفوس را می توان به عنوان پیشگام در طراحی و ساخت این کمپرسورها دانست چون اولین کمپرسور توربوکور(Turbocor compressor) را در سال 1995 تولید و در اویل سال 2001 به صورت تجاری راهی بازار تهویه مطبوع نمود.

این شرکت ادعا دارد که این تکنولوژی سبب افزایش راندمان چیلرهای تراکمی و کاهش مصرف انرژی آن ها می شود. بهینه سازی مصرف انرژی امروزه بسیار حائز اهمیت است و اکثر سازندگان معروف سیستم های برودتی و تهویه مطبوع معتقد هستند که کمپرسورهای توربوکور توانسته اند به خوبی این ماموریت را انجام دهند.

البته آقای Roger Richmond-Smith موسس شرکت SMARDT در ملبورن استرالیا، مدعی است که با همکار خود در سال 1993 بر روی چیلرهای بدون روغن با بیرینگ های مغناطیسی کار کرده است و سپس در سال 2004 جهت اتمام و تجاری سازی پروژه توربوکور به تیم دانفوس ملحق شده است!

چیلر تراکمی محبوبیت زیادی در میان مهندسان سیستم های تهویه و برودتی دارد و یکی از مشکلات آن ها، مصرف برق بالا به دلیل استفاده از کمپرسوری است که نیروی محرکه خود را از یک الکتروموتور تامین می کند. در کمپرسورهای سانتریفیوژ توربوکور، که فاقد مدار روغنکاری هستند، شفت کمپرسور به کمک یک سیستم کنترلی پیچیده درداخل یک میدان مفناطیسی قرار می گیرد و ارتباط و تماس مکانیکی با بلبرینگ ها وجود ندارد. این امر سبب کاهش چشمگیر اصطکاک و کاهش مصرف انرژی می شود. در ادامه کارشناسان تهویه نگار به طور جامع نحوه عملکرد چیلر توربوکور را بررسی کرده و مزایا، معایب و نکات طراحی آن را شرح می دهند.

پیشنهاد مطالعه:

بررسی فنی و شناخت چیلر تراکمی هوا خنک

بررسی، کاربرد و شناخت چیلر تراکمی آب خنک

بررسی و کاربرد انواع مینی چیلر

اجزا و نحوه عملکرد چیلر توربوکور

گفتیم که شاخصه مهم چیلر توربوکر، کمپرسور آن است. در شکل زیر یک کمپرسور سانتریفیوژ توربوکور را مشاهده می کنید که اجزای اصلی آن عبارتند از:

• موتور با آهنربای دائم (motor by permanent magnet)
• سیستم کنترلی مجهز به سنسورها و سافت استارتر به همراه درایو کنتل فرکانس متغیر (VFD and Soft starter)
• بلبرینگ های مغناطیسی (Magnetic Bearings)
• پروانه یا همان ایملرها (impeller)

اصطکاک در تمامی سیستم ها و مکانیزم های مکانیکی، عامل مهمی در اتلاف انرژی محسوب می شود. البته تمامی مهندسان به خوبی مطلع هستند که گاهی خود اصطکاک را نیاز داریم تا اهداف ما اجرا شود. برای مثال وقتی قرار است یک خودرو را متوقف کنیم، سیستم ترمز خودرو با ایجاد اصطکاک سبب توقف آن می شود و یا حتی راه رفتن و پیاده روی تمامی موجودات بر روی سطح زمین، مستلزم وجود اصطکاک است. اما از طرفی در برخی سیستم ها نظیر کمپرسور چیلرها که عامل اصطکاک سبب اتلاف انرژی هستند، بدیهی است که کاهش آن سبب بهبود راندمان و کاهش مصرف انرژی خواهد شد.

در شکل زیر ساختار و مکانیزم کمپرسور توربوکور به شکل ساده تری نشان داده شده است:

نحوه عملکرد این کمپرسور اینگونه هست که ایمپیلرها از طریق شفت به روتور متصل هستند. شفت روتور در تمام طول کمپرسور کشیده شده است و از داخل استاتور موتور عبور کرده است که توسط 2 عدد بیرینگ شعاعی و یک عدد بیرینگ محوری مهار شده است. شفت روتور دارای آهنرباهای ثابت است.زمانی که سیستم کنترلی بر اساس شرایط کاری که از طریق سنسورها تشخیص می دهد، جریان متناسب را به کویل یا همان سیم پیچ های مغناطیسی ارسال می کند، با تشکیل میدان مغناطیسی در اطراف استاتور، به علت وجود آهنربای دائم در شفت روتور، واکنش قطب های مثبت و منفی سبب گردش شفت روتور و در نهایت چرخش ایمپلرها می شود. سپس به وسیله پروانه یا ایمپلرها، مبرد موجود در سیکل تبرید تراکمی از خط مکش وارد کمپرسور شده و پس از عبور از ایمپلرها، فشرده شده و با افزایش فشار به سمت کندانسور حرکت می کند.

در چیلرهای تراکمی در واقع این کمپرسور هست که انرژی لازم برای به حرکت درآمدن مبرد در مدار تبرید را تامین می کند و به همین دلیل کمپرسور را مهم ترین عضو و قلب چیلر تراکمی معرفی می کنند. لازم به ذکر است که مبرد در این مرحله در حالت گازی شکل خود قرار دارد و ایمپلرها دچار آسیب نخواهند شد. به دلیل اینکه تمامی چرخش روتور توسط آهنربا و میدان مغناطیسی انجام می شود، روتور در داخل استاتور و بیرینگ ها به صورت معلق و بدون تماس مکانیکی است و در نتیجه بدون نیاز به سیستم روغنکاری، کمپرسور توربوکور به کار خود ادامه می دهد.

شکل زیر نمای برش مقطعی از بیرینگ های مغناطیسی در کمپرسور چیلر توربوکور را نشان می دهد که در آن ها از سیم پیچ الکترومغناطیس و آهنربای دائم استفاده شده است.

نکته مهم در کمپرسورهای توربوکور این است که سنسورهای مجاورتی(Proximity sensors) جلو و انتهای شفت کمپرسور که بر روی محیط استاتور نصب شده اند، شفت کمپرسور را موقعیت سنجی می کنند و آن را درست طبق برنامه کنترلر در بهترین موقعیت قرار می دهند. یعنی سنسورها با تشخیص موقعیت شفت و گزارش آن به سیستم کنترلی، سبب می شوند سیستم پردازنده، میدان مغناطیسی بلبرینگ ها را تغییر دهد و در بهترین حالت ممکن بر اساس شرایط کاری چیلر قرار دهد. همچنین بیرینگ محوری در انتهای شفت، نیروی خطی وارد شده به شفت را از طریق یک سنسور مجاورتی دیگر کنترل می کند. نیروی خطی، بستگی به فشار اعمال شده به ایمپلرها در زمان متراکم نمودن مبرد دارد که بر اساس شرایط کاری چیلر و اینکه در موقعیت بار جزئی (part load) یا تمام بار (Full load) باشد ممکن است متغیر باشد.

به دلیل وجود میدان الکترومغناطیسی بسیار قوی در سیستم توربوکور و دور بسیار بالای روتور، گرما در اطراف کمپرسور قابل ملاحظه است و به منظور خنک کاری سیستم های کنترلی و خود کمپرسور، بخشی از مبرد با دمای پایین را از طریق کانال های از قسمت فوقانی کمپرسور به جریان درآروده و عبور می دهند. شکل زیر این موضوع را به خوبی نشان می دهد.

شکل زیر در یکی از مقالات معتبر موسسه ASHRAE(American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) در سال 2020 منتشر شده است که به طور دقیق تر نشان می دهد سیستم کنترلی چیلر توبوکور، قادر است به خوبی در سه جهت X، Y و Z شفت کمپرسور را از طریق میدان الکترومغناطیس به خوبی کنترل کند. چون تماس مکانیکی بین شفت و بلبرینگ ها در این نوع کمپرسور حذف شده است(contact-free centrifugal compressor)، نیازی به مدار روغنکاری جهت حذف اصطکاک و خرابی قطعات مکانیکی وجود ندارد. این سیستم کنترلی با استفاده از آهنربای دائم موتور و نیروی الکترومغناطیس در بلبرینگ های شعاعی، شفت را به صورت شعاعی یعنی در جهت X و Y کنترل می کند اما برای کنترل موقعیت محوری در جهت نمودار Z، فقط وابسته به نیروی الکترومعناطیس است.

مزایا و معایب چیلر توربوکور

نزدیک به 100 سال هست که کمپرسورهای سانتریفیوژ به دلیل کارایی خوب، قابلیت اطمینان بالا و تولید انبوه در صنعت تهویه مطبوع، بخصوص در چیلرهای تراکمی آب خنک با ظرفیت های برودتی بالا کاربرد رایجی دارد. بهتر است ابتدا نگاهی داشته باشیم به طول عمر چیلرهای تراکمی. مهم ترین و گران ترین دستگاه بکار رفته در چیلرهای تراکمی کمپرسور است وبه همین دلیل عمر آن ها بستگی زیادی به صحت و سلامت کمپرسور در طول زمان دارد. تمامی تکنولوژی های جدید ممکن است شامل مزایا و معایبی باشد و این مشتریان هستند که بر اساس خواسته های خود انواع مختلف دستگاه ها را انتخاب می کنند.

طول عمر بیشتر چیلر توربوکور

طبق ادعای ASHRAE، طول عمر کمپرسور سانتریفیوژ حدود 23 سال است و به مرور زمان راندمان این کمپرسور افت پیدا می کند. شکل زیر نشان دهنده همین موضوع است. اما حقیقت آن است که طول عمر مفید چیلرها به پارامترهای متعددی از جمله: کیفیت طراحی و تولید دستگاه، برند قطعات و تجهیزات بکار رفته در ساخت، نحوۀ بهره برداری، کیفیت سرویس و نگهداری، کاربری دستگاه وعوامل دیگر بستگی داشته و اساساً نمی توان آمار دقیقی از طول عمر مفید یک دستگاه چیلر ارائه نمود.

شکل زیر نشان می دهد که پس از هر بار تعمیرات اساسی، از راندمان و ظرفیت کمپرسور کاسته می شود و یکی از مهم ترین عوامل خرابی کمپرسورها، اصطکاک و کیفیت روغن بکار رفته در آن ها است. بنابراین در چیلرهای مجهز به کمپرسور توربوکور که تماس فیزیکی یا مکانیکی قطعات به طور چشمگیری کاهش پیدا کرده است، لذا انتظار بر این است که این چیلرها بسیار با دوام تر باشند.

طبق تصویر زیر، دانفوس مدعی شده است که طبق تحقیقی که در سال 2014 در دانشگاه Tsinghua در کشور چین صورت گرفته است، نتایج بدست آمده نشان داده است که کمپرسورهای روغنی پس از 5 سال کار حدود 10% و پس از 20 سال کار حدود 20% افت راندمان داشته اند. اما کمپرسورهای بدون روغن یا مغناطیسی در تمام طول عمر دچار افت کارایی نخواهند شد. البته در اینجا وظیفه ماست که به این موضوع اشاره کنیم که این ادعا توسط شرکت سازنده، بایستی دقیق تر مورد بررسی قرار بگیرد، زیرا اولین کمپرسور تجاری در سال 2001 روانه بازار شده است و این بررسی در کشور چین در سال 2014 صورت گرفته است!. از طرفی شرایط کاری و نگهداری از قطعات مکانیکی به شدت بر روی طول عمر مفید آن ها اثر گذار است.

اما این نوید را به شما می دهیم که شرکت ها و موسسات مستقل متعددی در جهان با جایگزینی کمپرسور توربوکور و مقایسه مصرف انرژی و هزینه های نگهداری سیستم های برودتی خود، بهبود 30% تا 40% در پارامترهای مختلف را گزارش کرده اند.

قابلیت استفاده از اواپراتور فلودد

امروزه استفاده از اواپراتور فلودد یا مستغرق به دلیل راندمان بالای آن بسیار رایج شده است. در این اواپراتورها به دلیل آنکه تمام سطح تبادل حرارتی، یعنی سطح جانبی لوله ها، در تماس با مایع اشباع مبرد است و از آنجا که تبادل حرارت در اواپراتور اساساً بواسطۀ تبخیر مایع مبرد اتفاق می افتد، اواپراتور فلودد می تواند راندمان بالاتری در مقایسه با اواپراتور DX داشته باشد.

اما چالش اصلی این نوع اواپراتور، نفوذ جریان روغن از کمپرسور به داخل آن است. وجود روغن در مبرد، داخل پوستۀ اواپراتور باعث می شود که هنگام جوشیدن، پدیدۀ کف کردن (Foaming)اتفاق بیفتد. این مسئله تأثیر منفی بسیاری بر روی راندمان حرارتی اواپراتور داشته و اختلاف دمای تبخیر و دمای آب خروجی از اواپراتور را افزایش می دهد. از طرف دیگر، همانطور که گفته شد، به دلیل تبخیر نشدن روغن همراه با مبرد، عملاً روغن نمی تواند با جربان بخار خروجی از اواپراتور همراه شود؛ در نتیجه، می بایست از مکانیزم ویژه ای جهت برگشت روغن به کمپرسور در چیلر استفاده شود.

برای حل این چالش، استفاده از کمپرسورهای توربوکور که فاقد مدار روغنکاری هستند بسیار پر اهمیت می شود.

پیشنهاد مطالعه:

بررسی فنی و نکات طراحی در چیلر فلودد

مصرف انرژی کمتر و بهبود ضریب عملکرد کمپرسور توربوکور

جدول زیر مزایا و معایب چیلر توربوکور را بر اساس گزارشات شرکت دانفوس نشان داده است. در جدول زیر یک مقایسه بین دو چیلر با ظرفیت برودتی 250 تن تبرید یا 880 کیلووات انجام شده است که هر کدام حدود 6000 ساعت به طور میانگین در طول یکسال کار کرده اند. به طور واضح در پارامترهای IPLV بهبود ملاحضه شده است و هزینه های مانگین سالانه و آلاینده دی اکسید کربن به میزان 48% کاهش یافته است. در نتیجه طبق این ادعا، عملکرد چیلر توربوکور بسیار خوب است.

کاهش آلایندگی صوتی در کمپرسورهای Turbocor

یکی دیگر از مشکلات چیلرهای تراکمی به ویژه چیلر تراکمی هوا خنک، میزان آلایندگی صوتی آن هاست که در زمان کارکرد ممکن است مشکلاتی را ایجاد کند. شرکت فوق طبق نمودار زیر، کاهش محسوس آلایندگی صوتی را نیز گزارش کرده است که کمپرسور توربوکور در مقایسه با یک کمپرسور اسکرو به مراتب آلایندگی صوتی کمتری دارد.

سیستم کنترل سرعت متغیر و بهبود راندمان کمپرسور توربوکور

در کمپرسورهای تراکمی معمولی، سرعت گردش کمپرسور ثابت است اما در چیلرهای توربوکور به دلیل استفاده از سیستم کنترل سرعت متغیر(VFD=Variable Frequency Drive)، این قابلیت وجود دارد که سرعت کمپرسور در ظرفیت های برودتی مختلف تغییر کند. وجود سنسورهای مجاورتی و سیستم کنترلی Real-time سبب شده است که موقعیت شفت کمپرسور در هر ثانیه حدود 100 هزار بار کنترل شود که این موضوع نشان دهنده دقت بسیار بالای کمپرسورهای توربوکور است. شکل زیر به خوبی نشان داده است که در ظرفیت های برودتی کمتر از 75%، وجود کمپرسور توربوکور سبب افزایش راندمان خواهد شد. در واقعیت کمتر امکان دارد که چیلرها در ماکزیمم ظرفیت در حال کار باشند وو اغلب در ظرفیت های جزئی یا Part load کار می کنند.

حذف مدار روغنکاری و کاهش اتلاف انرژی، کاهش هزینه های نگهداری

حذف مدار روغنکاری سبب کاهش هزینه تولید و ساده تر شدن کمپرسور می شود، چراکه دیگر نیازی به پمپ روغن، مسیر روغنکاری و لوله های اتصال آن، فیلتر روغن و خشک کن یا Oil dryer نداریم. از طرفی وجود یک ماده چسبنده با ویسکوزیته معین تا حدودی سبب اتلاف انرژی می شود که در کمپرسورهای توربوکور به لطف استفاده از بیرینگ های مغناطیسی، نیازی به مدار روغنکاری نیست. در شکل زیر مشاهده می کنید که حتی وجود تنها 4% روغن در یک کمپرسور سانتریفیوژ سبب می شود کارایی آن حدود 9% افت کند. این در حالی است که طبق گزارش (ASHRAE Research Project 601)، در اکثر کمپرسور چیلرهای تراکمی، معمولا بیشتر از نیاز کمپرسور روغن وجود دارد و همین عامل سبب می شود که در واقعیت، اتلاف انرژی بیشتری در آن ها وجود داشته باشد. حذف روغن سبب می شود که نگهداری کمپرسور توربوکور ساده تر شود.

اشغال فضای کمتر در ساختار چیلر

تصویر زیر مربوط به یک پروژه جایگزینی دو عدد کمپرسور 90 تن توربوکور بجای یک کمپرسور اسکرو در چیلر تراکمی آب خنک با ظرفیت برودتی 250 تن تبرید، در شهر San Diego ایالت کافرنیا آمریکا را نشان می دهد. در تصویر زیر که مربوط به سال 2004 است، به خوبی کاهش فضای اشغال شده توسط کمپسورهای فاقد روغن نشان داده شده است. همچنین کاهش مصرف انرژی و کاهش لرزش چیلر و کاهش سر و صدا توسط این تیم گزارش شده است. پس از اتمام پروژه، این چیلر 6000 ساعت بدون هیچ مشکلی به کار خود ادامه داده است و کاهش مصرف انرژی 32.5 درصدی د مدت زمان یک ساعت نیز ثبت شده است.

قیمت بالا و سیستم کنترلی پیچیده در چیلر توربوکور

با وجود تمامی محاسن یاده شده از کمپرسور توربوکور، قیمت بالا و سیستم کنترلی پیچیده آن و همچنین جدید بودن این تکنولوژی سبب شده است که هنوز سازندگان چیلر به طور وسیع به سمت تولید این نوع سیستم برودتی نروند. به هر حال ایمپلرها و محفظه اطراف آن قطعات مکانیکی حساسی هستند که در صورت نگهداری بی دقت ممکن است آسیب ببینند و به این نکات هم باید توجه داشت. اما در نگاه کلی به نظر می رسد مزایای چیلر توربوکور بر معایب آن غلبه می کند و در آینده بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد.

طراحی، ساخت و فروش انواع چیلر توربوکور

شرکت مهندسی تهویه نگار با تکیه بر دانش متخصصین خود و اجرای صدها پروژه برودتی مسکونی و صنعتی، قادر است بهترین چیلر توربوکور را برای کارفرمایان و مشتریان خود بر اساس شرایط مالی و فنی پروژه طراحی کند. برای اطلاعات بیشتر در خصوص چیلرهای توربوکور با کارشناسان ما در تماس باشید. انتخاب صحیح کمپرسور متناسب با شرایط آب و هوایی منطقه نصب چیلر و برنامه کنترلی آن بسیار بر روی عملکرد صحیح چیلر اثر گذار است. تهویه نگار سال هاست در تولید انواع چیلرتراکمی هوا خنک و آب خنک فعالیت دارد و توانسته محصولات خودد را بر اساس شرایط آب و هوایی ایران تطبیق دهد.