چیلر پیستونی چیست و نحوه عملکرد آن

چیلر پیستونی چیست؟

چیلر پیستونی به چیلرهایی گفته می شود که از کمپرسورهای پیستونی (piston compressor) یا رفت وبرگشتی (reciprocating compressor) استفاده می کنند. این چیلرها بر پایه ی چرخه ی تبرید تراکمی کار می کنند.

کمپرسور چیلرهای تراکمی، تنها قسمتی از چرخه است که برای کار نیاز به انرژی دارد؛ بنابراین، عملکرد کمپرسور بیشترین تأثیر را بر بازده چرخه دارد. هرچه توانایی کمپرسور در ایجاد فشار بالا و انرژی که به ازای فشرده سازی واحد جرم مبرد مصرف می کند بهینه تر باشند، بازده چیلر نیز بالاتر خواهد بود.

کمپرسورهای پیستونی که چند دهه قبل در صنعت تبرید استفاده می شدند، ازلحاظ کاربرد و تعداد استفاده بدون رقیب بودند و کمپرسور پیش فرض برای هر چیلر، کمپرسور پیستونی بود اما رفته رفته با تولید صنعتی کمپرسورهای گریز از مرکز، اسکرو و اسکرال، استفاده از کمپرسور رفت وبرگشتی کاهش یافت.

نحوه ی کار چیلر پیستونی

چیلر پیستونی از چهار جزء تشکیل شده که ای اجزا به هم متصل بوده و یک سیال به نام مبرد (Refrigerant) بین این چهار جزء گردش می کند. سیالی که درون این اجزا حرکت می کند، با محیط بیرون تماسی نداشته و و سیکل مجددا تکرار می شود. به همین دلیل، به این سیستم، چرخه گفته می شود. مهم ترین و پیچیده ترین بخش چیلر، کمپرسور است. این بخش، تنها قسمتی از چیلر است که دارای قطعه ی متحرک است و به همین دلیل، دچار سایش مداوم بوده و نیاز به نگهداری و بازرسی مداوم دارد.

کمپرسور پیستونی در چیلر، مبرد را که به صورت بخار وارد آن می شود، فشرده می کند. این فرایند باعث افزایش دمای مبرد نیز می شود که این افزایش دما در قسمت بعد از کمپرسور یعنی کندانسور (Condenser) جبران می شود.

وظیفه ی کندانسور، انتقال گرمای مبرد به خارج از چرخه است. این گرما درنهایت به هوای آزاد منتقل می شود اما روش انتقال این گرما در کندانسورهای مختلف، متفاوت است. در چیلر پیستونی، از دو نوع کندانسور آب خنک (Water Cooled) و هواخنک (Air Cooled) استفاده می شود. در کندانسورهای هوا خنک، مبرد از لوله هایی که در اطراف آن پره هایی تعبیه شده اند، عبور می کند. گرمای مبرد از طریق لوله به پره ها و از طریق پره ها به هوا منتقل می شود.

دلیل استفاده از پره، کم بودن ضریب انتقال گرمای همرفت هوا است تا به وسیله ی افزایش سطح، این مورد جبران شود. در چیلر پیستونی، وابسته به ظرفیت چیلر، از یک یا چند فن برای به جریان درآوردن هوا روی پره ها استفاده می شود. این بخش از چیلر باید در خارج از محل استفاده و در هوای آزاد قرار بگیرد تا هوایی که گرمای مبرد را دریافت کرده و دمای آن افزایش یافته، به بیرون از چرخه و هوای آزاد خارج شود.

نوع دیگر کندانسورهایی که در چیلر پیستونی استفاده می شود، کندانسورهای آب خنک هستند. در این کندانسورها، گرمای مبرد از طریق سیال واسط به هوا منتقل می شود. در چیلر پیستونی آب خنک، گرمای مبرد در مبدل حرارتی به آب منتقل می شود. مبدل های حرارتی که برای این کار استفاده می شوند از نوع پوسته لوله (Shell and Tube Heat Exchanger)، صفحه ای (Plate Heat Exchange) و صفحه ای جوشی (Brazed Plate Heat Exchanger) هستند.

آب پس از دریافت گرمای مبرد، به برج خنک کن (Cooling Tower) می رود تا گرمای خود را به هوا منتقل کند. در برج خنک کن، آب از سمت بالا اسپری شده و هوای محیط از سمت پایین توسط فن هایی به سمت برج هدایت می شود. آب برج خنک کن در قسمت پایین جمع شده و دوباره برای دریافت گرمای مبرد به کندانسور فرستاده می شود.

در کندانسور، مبرد به مایع تبدیل شده و برای ورود به شیر انبساط (Expansion Valve) آماده می شود. شیر انبساط قسمتی از چرخه است که مبرد، کاهش دما را تجربه می کند. در این شیر، فشار به صورت ناگهانی افت می کند. این افت فشار ناگهانی باعث تبخیر شدن بخشی از مبرد شده و مبردی که به بخار تبدیل می شود، دما مبرد مایع را کاهش می دهد. درنتیجه مبرد، آماده ی انتقال سرمای خود در اواپراتور (Evaporator) است. اواپراتور نیز مانند کندانسور یک مبدل حرارتی است. در این مبدل حرارتی، سرما به هدف موردنظر منتقل می شود. با انتقال سرما مبرد، تبخیر شده و آماده ی ورود به کمپرسور می شود. با تکرار این فرایند، چیلر پیستونی می توانند سیالی با دمای پایین ایجاد کنند.

کمپرسور پیستونی

کمپرسورها به دو دسته ی دوّار و جابجایی مثبت تقسیم می شوند. در کمپرسورهای دوار، معمولاً یک قطعه با سرعت بالا چرخیده و سیال را فشرده می کند که این روند کاملاً به صورت پیوسته انجام می شود. در مقابل، کمپرسورهای جابجایی مثبت با حبس کردن سیال در یک محفظه و اعمال نیرو توسط مکانیسم های مختلف، فشار سیال را افزایش می دهند. کمپرسورهای جابجایی مثبت، تنوع بسیار بالایی دارند و طراح های بسیار متفاوتی از این کمپرسورها برای فشرده سازی مبرد در چرخه ی تبرید تراکمی چیلرها استفاده می شود.

یکی از کمپرسورهای جابجایی مثبت که از معروف ترین کمپرسورهای چیلرها است، کمپرسور پیستونی است. این کمپرسور که با نام کمپرسور رفت وبرگشتی نیز شناخته می شود، قدیمی ترین کمپرسور صنعتی چیلرها به حساب آمده و چند دهه قبل به عنوان رایج ترین کمپرسور چیلر در صنعت تبرید استفاده می شد.

یک کمپرسور پیستونی بر پایه ی حرکت رفت وبرگشتی کار می کند. در داخل کمپرسورهای رفت وبرگشتی یا پیستونی، سیلندر و پیستون هایی وجود دارد که هر سیلندر یک محفظه ی بسته با دو راه برای ورود و خروج هوا است و یک طرف آن به وسیله ی پیستون که به جلو و عقب حرکت می کند، محصور می شود.

فرایند فشرده سازی مبرد در کمپرسورهای پیستونی زمانی آغاز می شود که پیستونی در پایین ترین وضعیت خود در شکل بالا قرار می گیرد. در این حالت، حجم محفظه در بزرگ ترین اندازه ی خود قرار داشته و به دلیل نیروی مکشی که درون سیلندر وجود دارد، مبرد از طریق خط مکش و با باز شدن شیر مکش وارد سیلندر می شود. در این فرایند که مکش نام دارد، شیر مکش باز و شیر تخلیه بسته می ماند.

زمانی که پیستون به پایین ترین نقطه ی حرکت می رسد، شیر مکش بسته شده و مبرد چیلر در داخل محفظه حبس می شود. در این نقطه، پیستون، شروع به حرکت به سمت بالا کرده و حجم هوایی که راه فرار ندارد، کاهش می یابد. با کاهش حجم هوا، فشار آن افزایش یافته و زمانی که این فشار به نقطه ی مقاومت شیر تخلیه برسد، این شیر باز شده و مبرد به سمت کندانسور هدایت می شود. با تنظیم فشار مقاومت شیر تخلیه می توان به فشار دلخواه مبرد در چرخه ی تبرید تراکمی رسید.

زمانی که مبرد از پیستون خارج می شود، فشار بخار داخل سیلندر به سرعت کاهش یافته و درنتیجه شیر تخلیه بسته می شود تا بدین ترتیب از بازگشت مبرد به سمت عقب جلوگیری شود. در این مرحله، پیستون با حرکت به سمت پایین، مکش را تکرار کرده و با ادامه ی این مراحل، یک کمپرسور پیستونی می تواند مبرد را تا فشار موردنیاز چیلر، فشرده کند.

کمپرسورهای پیستونی در چیلر پیستونی به دو صورت بسته و نیمه بسته تقسیم می شوند. در کمپرسورهای بسته، کمپرسور و موتور الکتریکی محرک آن به صورت مستقیم کوپل شده در یک محفظه ی آب بندی شده قرار دارند. در کمپرسورهای نیمه بسته، بدنه ی کمپرسور و موتور جدا از هم است. کمپرسورهای نیمه بسته، بازده بالاتر و مدت زمان سرویس طولانی تری دارند درحالی که میزان نیاز به نگهداری در کمپرسورهای نوع بسته و نیمه بسته مشابه همدیگر است.

انواع کمپرسور پیستونی

پیش از خواندن ادامه مطلب بهتر است تا در مورد کمپرسورهای چیلر اطلاعاتی داشته باشید، توصیه می کنیم مقاله کمپرسور چیست؟ آشنایی با انواع کمپرسور چیلر را مطالعه کنید.

1.     کمپرسور پیستونی یک طرفه

در کمپرسورهای پیستونی یک طرفه (single-acting reciprocating compressor) یک شیر مکش و یک شیر تخلیه وجود دارد. در این کمپرسورها در هر دور دوران میل لنگ تنها یک چرخه ی تراکم وجود دارد. عملکرد این نوع از کمپرسورهای پیستونی در بخش قبل به طور مفصل توضیح داده شد.

2.     کمپرسور پیستونی دوطرفه

در کمپرسورهای پیستونی دوطرفه (Double-Acting Reciprocating Compressor)، دو شیر مکش و دو شیر تخلیه وجود دارد و به ازای هر دور دوران میل لنگ، دو چرخه ی تراکم وجود دارد. یک شیر تخلیه و یک شیر مکش در قسمت بالا و یک شیر مکش و یک شیر تخلیه در پایین سیلندر قرار دارند. زمانی که پیستون، مبرد را در یک طرف، فشرده می کند در طرف دیگر، مکش انجام می شود. با رسیدن پیستون به بالاترین نقطه، تراکم قسمت بالا تمام شده و مکش آغاز می شود.

در این لحظه، در طرف پایین، فرایند تراکم شروع می شود. با رسیدن پیستون به پایین ترین نقطه، تراکم قسمت پایین و مکش قسمت بالا تمام می شود و بدین ترتیب، هر سیلندر دوطرفه می تواند دو برابر سیلندرهای یک طرفه، مبرد چیلر پیستونی را فشرده کند. علاوه بر این، به دلیل اینکه در زمان مکش یک طرف، طرف دیگر در مرحله ی تراکم است، نوسان فشار و سرعت مبرد در خروجی کمپرسور پیستونی دوطرفه کمتر خواهد بود.

3.     کمپرسور پیستونی دیافراگمی

کمپرسور پیستونی دیافراگمی (Diaphragm-Type Reciprocating Compressor) شکل تغییریافته ای از کمپرسورهای پیستونی است که در این کمپرسور، مبرد با بالا و پایین آمدن یک پرده یا غشاء، فشرده می شود. حرکت رو به بالا و پایین دیافراگم با استفاده از اتصال آن به یک پیستون به دست می آید. پیستون نیز توسط میل لنگی که توسط یک الکتروموتور چرخانده می شود، حرکت می کند. در شکل زیر، حجم محفظه ی داخلی با پایین آمدن دیافراگم افزایش یافته و درنتیجه مکش انجام می شود. همچنین با بالا آمدن پیستون و دیافراگم، مبرد محبوس در محفظه، فشرده شده و به بیرون فرستاده می شود.

4.     کمپرسور پیستونی تک مرحله ای

در کمپرسورهای پیستونی تک مرحله ای (Single-Stage Reciprocating Compressor) یک یا چند سیلندر به صورت موازی به همدیگر متصل هستند. در این نوع از کمپرسورها، مبرد تنها یک بار فشرده می شود. حداکثر فشاری که این کمپرسورها می توانند ایجاد کنند، محدود است اما با استفاده از موازی کردن چند کمپرسور پیستونی می توان دبی بالایی از مبرد را فشرده کرد.

5.     کمپرسور پیستونی دومرحله ای

در کمپرسورهای پیستونی دومرحله ای (Two-Stage Reciprocating Compressor) هر مبردی که از کمپرسور می گذرد، دو بار فشرده می شود. در این نوع از کمپرسورها، پیستون ها به صورت سری به هم متصل هستند؛ یعنی خروجی سیلندر اول به ورودی سیلندر دوم متصل است. در کمپرسورهای پیستونی دومرحله ای قطر سیلندر دوم، کوچک تر از قطر سیلندر اول انتخاب می شود. فشار خروجی از این کمپرسورها بالا خواهد بود اما در مقابل، دبی مبرد فشرده شده کمتر خواهد بود. مزیت کمپرسور پیستونی دو مرحله نسبت به کمپرسور پیستونی یک مرحله ای توانایی ارائه حجم بیشتری از هوا و ایجاد فشار بالاتر جهت برآورده کردن نیاز کارهای سنگین تر است.

6.     کمپرسور پیستونی چندمرحله ای

درصورتی که نیاز به فشار بسیار بالایی از مبرد وجود داشته باشد، از کمپرسورهای پیستونی چندمرحله ای استفاده می شود. فشار بسیار بالا زمانی نیاز است که به طور نمونه، دمای بسیار پایینی در اواپراتور چیلر پیستونی نیاز باشد. در این حالت، مبرد با رسیدن به فشار بالا و چگالش، به شیر انبساط وارد شده و به دلیل اینکه فشار طرف دیگر شیر انبساط بسیار پایین تر از فشار مبرد است، بخش زیادی از مبرد، تبخیر شده و دمای بسیار پایینی ایجاد می کند.

کنترل چیلر های پیستونی

در چیلر پیستونی که چندین کمپرسور پیستونی وجود دارد، می توان با روشن و خاموش کردن تعدادی از کمپرسورها، میزان ظرفیت چرخه را کنترل کرد. هر چه تعداد کمپرسورها بیشتر باشد، این روش کنترلی دقیق تر خواهد بود. در چیلرهایی که تنها یک کمپرسور پیستونی دارند، دو روش برای کنترل ظرفیت چرخه وجود دارد. روش اول، روشن و خاموش کردن چیلر است. این روش ممکن است در بسیاری از شرایط، پاسخگوی نیاز کاربر نباشد. روش دوم کنترل یک کمپرسور پیستونی، استفاده از چندین شیر مکش در سیلندر کمپرسور است. در این روش، تعداد شیرهای مکش فعال، بسته به نیاز چرخه مشخص می شود.

مزایای چیلرهای پیستونی

• مهم ترین مزیت چیلرهای پیستونی که این نوع چیلرها را به گزینه ی جذابی برای خریدار تبدیل می کند، قیمت پایین آن ها است. این چیلرها در مقایسه با چیلرهای گریز از مرکز و اسکرو هزینه ی اولیه ی پایین تری دارند. (مقاله مرتبط: کمپرسور اسکرو چیست)
• محدوده ی ظرفیت چیلر پیستونی به گونه ای است که این چیلرها طیف وسیعی از کاربردهای تهویه مطبوع و نیمه صنعتی را در بر می گیرند. ظرفیت چیلرهای متداول پیستونی بین 10 تا 500 تن تبرید است. برای استعلام قیمت و خرید چیلر تهویه مطبوع میتوانید به بخش محصولات سایت مراجعه کنید.
• چیلر پیستونی به راحتی بسته بندی می شود و نصب آن ها ساده بوده زمان کمی نیاز دارد. همچنین این چیلرها عموماً قابلیت تعمیرشدن را دارند.
• در چیلر پیستونی از مبردهای دوستدار محیط زیست استفاده می شود.
• در بین چیلرهای متداول، کنترل چیلرهای رفت و برگشتی آسان تر بوده و به دلیل پیشرفت فناوری در این زمینه، عملکرد این چیلرها نیز بهبود یافته است.
• هر دو نوع طرح آب خنک و هواخنک در چیلرهای پیستونی وجود دارد تا کاربر با توجه به شرایطی مانند آب وهوای منطقه، دسترسی به آب، هزینه ی انرژی و قیمت اولیه بتواند مناسب ترین نوع چیلر را برگزیند.

معایب چیلر پیستونی

• کمپرسور در چیلر پیستونی دارای تعداد زیادی قطعه است که برخی از این قطعات، متحرک بوده و به دلیل نوع عملکرد، سایش بسیار زیادی بین قطعات وجود دارد.
• چیلر پیستونی در مقایسه با سایر چیلرها نیاز به مراقبت بیشتری دارند و به همین دلیل، هزینه ی بازرسی و تعمیر این چیلرها بیشتر از سایر چیلرها است.
• کمپرسور پیستونی به حضور مایع و رطوبت در گاز مورد تراکم و سیلندر و به طور کلی در داخل کمپرسور بسیار حساس بوده و این مسئله می تواند موجب کج شدن شاتون یا شافت پیستون و حتی بریدن میل لنگ شود.
• باوجود بهبود زیادی که کمپرسورهای پیستونی در دهه های گذشته داشته اند، بازده این کمپرسورها به دلیل نوع طراحی و مکانیسم آن ها پایین بوده و این نکته باعث می شود ضریب عملکرد چیلر پایین باشد. پایین بودن ضریب عملکرد به معنی بالا بودن انرژی موردنیاز است. با توجه به این مورد و مورد قبل می توان نتیجه گرفت که هزینه های جاری چیلر پیستونی بیشترین مقدار را در مقایسه با سایر چیلرها دارد.
• نسبت تراکم در چیلر پیستونی پایین است و درنتیجه ظرفیت چیلرهای پیستونی یک طرفه نیز پایین خواهد بود. (اطلاعات بیشتر: محاسبه ظرفیت اسمی و واقعی چیلر)
• به دلیل حرکت رفت وبرگشتی پیستون و اینرسی بالایی که موجب ارتعاش می شود، وجود ارتعاش زیاد در چیلر پیستونی اجتناب ناپذیر است. این ارتعاش با گذشت زمان و سایش قطعات، بیشتر خواهد شد.
• نسبت وزن به ظرفیت در چیلرهای رفت وبرگشتی نسبتاً بالا است.
• به دلیل استفاده از مکانیسم رفت وبرگشتی برای تراکم مبرد، وجود صدای بالا در چیلر پیستونی اجتناب ناپذیر است.
• از جمله نکاتی که در طراحی چیلر پیستونی یا همان چیلر تراکمی پیستونی باید مد نظر قرار بگیرد، این است که معمولاً ظرفیت مجموع کمپرسورها را 30 درصد بیشتر از ظرفیت واقعی در نظر می گیرند تا در صورت کار همزمان تمام کمپرسورها در ظرفیت های بالا، هر چند دقیقه یک بار فرصت کافی به پیستون ها داده شود تا حرارت زیاد تولید شده بر اثر حرکت های متناوب رفت وبرگشتی پیستون ها درون سیلندرها به محیط بیرون دفع شود.
• گاز خروجی از کمپرسور، دارای ضربان می باشد و احتمال بروز پدیده تشدید در صورت استفاده از چند کمپرسور به صورت موازی وجود دارد که در این حالت استفاده از قطعات ضربه گیر (Damping Element) در قسمت دهش ضروری خواهد بود.