اکونومایزر چیلر یک سیستم اضافه یا تغییری است که در سیستم چیلر مرسوم (یا در کنار آن) ادغام می شود و بهبود کلی در بهره وری انرژی و عملکرد خنک کنندگی ایجاد می کند. در ادامه مقاله با بررسی کامل این قطعه همراه خواهیم شد.
فهرست محتوا
پنهان
اکونومایزر چیلر چیست؟
اکونومایزر چیلر انرژی ای را “بازیابی” می کند که به طور معمول در چرخه تبرید از دست می رود. با تغییر فرآیند ترمودینامیکی داخلی یا بهره برداری از شرایط سرد طبیعی محیط، اکونومایزرها به کاهش کار کمپرسور، افزایش ظرفیت خنک کنندگی و کاهش مصرف انرژی کمک می کنند.
به طور خاص، اکونومایزرهای موجود در سیستم های چیلر به دو دسته اصلی تقسیم می شوند؛
- اکونومایزر چیلر داخلی (Internal Economizers): این دستگاه ها به طور مستقیم در مدار مبرد یا چرخه ترمودینامیکی چیلر تعبیه شده و با بهبود فرآیند تبرید – معمولاً از طریق ساب کولینگ مایع مبرد و تزریق بخار به مرحله میانی کمپرسور – اثر تبریدی را تقویت کرده و مصرف انرژی مورد نیاز کمپرسور را کاهش می دهند.
- اکونومایزر چیلر خارجی (External Economizers): این سیستم ها به صورت جداگانه و خارج از مدار مبرد عمل می کنند و با استفاده از منابع محیطی (مانند هوای بیرونی یا آب خنک شده توسط برج های خنک کننده) فرآیند خنک کنندگی را بدون نیاز به استفاده فعال از کمپرسور بهبود می بخشند. در این حالت، اغلب به اصطلاح «سرمایش آزاد یا فری کولینگ» گفته می شود.
بیشتر بخوانید: چیلر تهویه مطبوع
اکونومایزرهای داخلی
تعریف و عملکرد
اکونومایزرهای داخلی تغییراتی در چرخه تبرید چیلر ایجاد می کنند. اهداف اصلی این سیستم ها عبارتند از:
- افزایش خنک کنندگی مبرد: کاهش دمای مایع مبرد پرفشار قبل از رسیدن به سیستم انبساط که منجر به افزایش اختلاف آنتالپی در اواپراتور می شود.
- کاهش بار کاری کمپرسور: با تزریق بخشی از بخار مبرد – که معمولاً از طریق جداسازی فلش تولید می شود – به صورت جزئی، از فشرده سازی کل جرم مبرد با فشار پایین جلوگیری می شود. این امر منجر به کاهش کار مورد نیاز برای فشرده سازی و بهبود ضریب عملکرد کلی (COP) می گردد.
- بهبود کارایی چرخه: با تنظیم دقیق سطوح فشار و شرایط دما، اکونومایزرهای داخلی چرخه را به رفتار ایده آل ترمودینامیکی نزدیک تر می کنند، بدون آنکه نیاز به کمپرسور بزرگتر یا شارژ اضافی مبرد داشته باشند.
بیشتر بخوانید: راهنمای کامل نصب کمپرسور
انواع اکونومایزر چیلر داخلی
سیستم اکونومایزر با مخزن فلش
- چگونگی عملکرد: در این پیکربندی، پس از کندانس شدن مبرد در کندانسور، مایع مبرد پرفشار وارد یک مخزن فلش (یا جداکننده) می شود. در داخل مخزن فلش، افت فشار باعث می شود که بخشی از مایع به سرعت به بخار تبدیل شده و مایع باقی مانده به حالت سابکولد برسد.
- جزئیات عملکرد: بخار حاصل از فرآیند فلاش در قسمت بالایی مخزن جمع آوری شده و معمولاً از طریق خط بازگشت به مرحله میانی کمپرسور هدایت می شود. این تزریق مبرد کمک می کند تا نرخ کلی فشرده سازی کاهش یابد. مایع باقی مانده (سابکولد شده) به سمت دستگاه انبساط و سپس به اواپراتور هدایت می شود؛ بدین ترتیب دمای پایین تر آن اثر خنک کنندگی را تقویت می کند.
- کاربردها: افزایش اثر تبریدی با به حداکثر رساندن پتانسیل خنک کنندگی مایع مبرد ورودی. کاهش کار کمپرسور و مصرف انرژی با تزریق بخار جزئی. بهبود کارایی سیستم به میزان تقریبی ۵–۱۰ درصد در بسیاری از کاربردهای تجاری.
سیستم اکونومایزر با مبدل حرارتی
- چگونگی عملکرد: به جای جداسازی مکانیکی فازها در مخزن فلش، این پیکربندی از یک مبدل حرارتی داخلی اضافی استفاده می کند. در اینجا، بخشی از مبرد (معمولاً از سمت انبساط یا جریان بای پس) با عبور از مبدل حرارتی و با انتقال سرما، مایع مبرد خروجی از کندانسور را به صورت سابکولد می کند.
- جزئیات عملکرد: مایع مبرد پرفشار با تبادل حرارتی با بخشی از مبرد با دمای پایین تر یا حتی گاز ساکشن، سابکولینگ بیش تر می شود. • این بازیابی حرارتی مستقیم، کارایی فرآیند انبساط را بهبود داده و عملکرد اواپراتور را اثربخش تر می کند.
- کاربردها: کنترل دقیق میزان سابکولینگ که عملکرد شیر انبساط را بهبود می بخشد. کاهش خطر تشکیل گاز فلش و حفظ دمای بهینه ساکشن برای کمپرسور. افزایش بهره وری انرژی در سیستم ها، به ویژه آن هایی که از کمپرسورهای اسکرول می برند.
بیشتر بخوانید: انواع مبدل حرارتی
سیستم های ترکیبی: مخزن فلش همراه با مبدل حرارتی
- چگونگی عملکرد: برخی از طراحی های مدرن، هر دو عنصر مخزن فلش و مبدل حرارتی داخلی را در یک مدار اکونومایزر ترکیب می کنند. این رویکرد دوگانه می تواند همزمان سابکولینگ و تزریق بخار مبرد را بهبود بخشد.
- جزئیات عملکرد: ابتدا مایع مبرد پرفشار به صورت جزئی از طریق فلش جدا می شود سپس، مایع باقی مانده پیش از ورود به اواپراتور، از طریق عبور از مبدل حرارتی به میزان بیشتری سابکولد می شود.
- کاربردها: حداکثر رساندن کارایی سیستم از طریق ترکیب مزایای هر دو روش. • تنظیم میزان سابکولینگ و تزریق بخار متناسب با شرایط بهره برداری برای بهینه سازی عملکرد کمپرسور.
سیستم اکونومایزر با مبدل حرارتی داخلی
- چگونگی عملکرد: در این نوع، مایع مبرد پرفشار از کندانسور از طریق یک مبدل حرارتی فشرده (compact heat exchanger) عبور کرده و در آن سابکولینگ توسط بخار ساکشنی که از اواپراتور بازمی گردد، انجام می شود.
- جزئیات عملکرد: این فرآیند به طور همزمان مایع مبرد را سابکول کرده و بخار را کمی سوپرهییت می کند؛ این امر می تواند از تبخیر کامل اطمینان حاصل کرده و کمپرسور را از برخورد ناگهانی مایع (Liquid Slugging) محافظت نماید.
- کاربردها: افزایش ضریب عملکرد (COP) از طریق بهبود عملکرد اواپراتور و تثبیت چرخه مبرد. ارائه طراحی نسبتاً فشرده با هزینه های اضافی تجهیزات پایین، اگرچه اثربخشی آن ممکن است به خواص ترمودینامیکی مبرد مورد استفاده وابسته باشد.
اکونومایزرهای خارجی
تعریف و عملکرد
اکونومایزرهای خارجی سیستم هایی هستند که خارج از مدار اصلی مبرد چیلر اضافه می شوند. نقش آن ها بهره برداری از محیط پیرامون – معمولاً هوای خنک بیرونی یا آب – به منظور تأمین خنک کنندگی آزاد یا تکمیل ظرفیت خنک کنندگی کندانسور است.
عملکردهای اصلی آن ها عبارتند از؛
- استفاده از خنک کنندگی محیطی: زمانی که شرایط مساعد است (یعنی دمای بیرونی پایین باشد)، این سیستم ها از هوای طبیعی خنک یا آب استفاده می کنند تا دمای آب کندانسور چیلر یا حتی هوای تأمین شده به ساختمان را کاهش دهند.
- کاهش نیاز به خنک کنندگی مکانیکی: با ارائه پیش خنک کنندگی، اکونومایزرهای خارجی می توانند ساعات بهره برداری یا بار کمپرسور چیلر مکانیکی را کاهش دهند.
- کاهش مصرف انرژی و هزینه های بهره برداری: با اتکا کمتر به خنک کنندگی محرک کمپرسور، نیاز کلی به انرژی کاهش می یابد.
انواع اصلی اکونومایزرهای خارجی
اکونومایزرهای سمت آب (Water-Side Economizers)
- چگونگی عملکرد: در اکونومایزرهای سمت آب، بار خنک کنندگی با استفاده از آبی که به وسیله شرایط محیطی (از طریق برج خنک کننده یا خنک کننده خشک) سرد شده است، تأمین می شود تا دمای کندانسور کاهش یابد یا به طور مستقیم حلقه آب چیلر خنک شود.
- انواع عملکرد:
- اکونومایزر سمت آب مستقیم (چرخه استرینر): در برخی طراحی های اولیه، مدار آب سرد (chilled water loop) در شرایطی که دمای هوای بیرون به اندازه کافی پایین است، به طور کامل کمپرسور چیلر را دور می زند. در این روش، از یک چرخه مستقیم به نام “Strainer Cycle” استفاده می شود که طی آن آب سرد با گردش مستقیم از طریق برج خنک کننده، خنک می شود. به عبارت دیگر، به جای این که چیلر با استفاده از کمپرسور به صورت مکانیکی به کار گرفته شود، آب سرد به طور مستقیم از طریق برج خنک کننده خنک شده و به مدار آب چیلر منتقل می شود. با این حال، به دلیل مسائل احتمالی آلودگی و خوردگی، این روش امروزه کمتر استفاده می شود.
- سیستم های غیرمستقیم با مبدل های حرارتی صفحه ای یا قاب: در طراحی های مدرن تر، به جای اینکه حلقه آب سرد به طور مستقیم از برج خنک کننده عبور کند، از یک مبدل حرارتی (معمولاً از نوع صفحه ای یا قاب) استفاده می شود. در این پیکربندی، مدار آب چیلر از آب خنک کننده جدا شده تا از آلودگی جلوگیری شده و همچنان سرمایش آزاد فراهم گردد.
- سیستم های کاهش بار (Load-Shaving Economizers) و سیستم های ترموسیفون (Thermosyphon): در برخی چیلرهای گریز از مرکز، گردش مبرد به طور طبیعی (با استفاده از نیروی جاذبه و تفاوت دمایی) انجام می شود که در شرایط مساعد باعث کاهش بار کمپرسور می شود.
- کاربردها: ارائه خنک کنندگی آزاد قابل توجه در دوره های سرد (اغلب در شب) که می تواند به طور چشمگیری ساعات بهره برداری کمپرسور را کاهش دهد. • کاهش بار الکتریکی چیلر و همچنین افزایش طول عمر تجهیزات با کاهش بارهای حرارتی و مکانیکی اوج. • امکان یکپارچه سازی با سیستم هایی مانند برج های خنک کننده مدار بسته یا خنک کننده های خشک به منظور اطمینان از کیفیت آب و جلوگیری از رسوب گذاری.
اکونومایزرهای سمت هوا (Air-Side Economizers)
- چگونگی عملکرد: اکونومایزرهای هوایی از هوای خنک بیرونی برای کاهش دمای هوای داخل یا دمای هوای جاری بر روی لوله های مبدل حرارتی استفاده می کنند. عملکرد آن ها مانند «باز کردن پنجره» به شیوه ای کنترل شده است؛ به طوری که خنک کنندگی مکانیکی را دور زده یا تکمیل می کند.
- انواع عملکرد:
- اکونومایزرهای هوایی مستقیم: در شرایطی که دمای خشک بیرونی یا شرایط آنتالپی مساعد باشد، هوای بیرونی به طور مستقیم (از طریق شبکه ای از دمپرها، فن ها و کنترل ها) وارد فضای داخلی می شود. در حقیقت، این روش در شرایط معتدل می تواند سیستم چیلر مکانیکی را به طور کامل خاموش کند.
- اکونومایزرهای هوایی غیرمستقیم: در این سیستم ها، هوای بیرونی از طریق یک مبدل حرارتی هوا به هوا برای پیش خنک کردن هوای ورودی استفاده می شود. این روش از اختلاط مستقیم آلودگی های بیرونی جلوگیری کرده و در کنترل رطوبت داخل ساختمان نیز نقش دارد.
- کاربردها:
- کاهش وابستگی به خنک کنندگی مکانیکی با بهره برداری از شرایط مساعد بیرونی.
- حفظ راحتی حرارتی داخل ساختمان با مصرف انرژی کمتر در شرایطی که هوای بیرونی اجازه خنک کنندگی آزاد را می دهد.
- ارائه انعطاف پذیری از طریق استفاده از سنسورها و کنترل های پیشرفته که قادرند وضعیت دمپرها، سرعت فن ها و عملکرد مبدل های حرارتی را بر اساس داده های در لحظه محیطی تنظیم کنند.
نتیجه گیری
اکونومایزر داخلی و خارجی متناسب با نیازهای یک کاربرد خاص طراحی می شوند. انتخاب فناوری به عواملی نظیر آب وهوا، طراحی سیستم چیلر، ملاحظات اقتصادی و بارهای خنک کنندگی خاص وابسته است. ارزیابی دقیق چنین سیستم هایی — از جمله فاکتورهایی مانند خواص مبرد، افت فشار در مبدل حرارتی و استراتژی های کنترلی — برای بهینه سازی بهره وری و تضمین بازگشت سرمایه سودآور ضروری است.
با درک تغییرات داخلی (مانند مخزن فلش، مبدل حرارتی داخلی، مدارهای ترکیبی) و رویکردهای خارجی (استراتژی های خنک کنندگی آزاد سمت آب و هوایی)، مهندسین می توانند سیستم های چیلر را به گونه ای طراحی کنند که به مدیریت بهتر مصرف انرژی، برآورده ساختن نیازهای سرمایشی با اطمینان و حمایت از عملکرد پایدار ساختمان ها کمک نمایند.
منابع