چیلر اسکرال چیست و تفاوت چیلر اسکرال و اسکرو

چیلر اسکرال ویژگی های منحصربه فردی دارند که استفاده از آن ها را برای بسیاری از کاربردهای با ظرفیت پایین و متوسط، ایده آل می سازد. در ادامه با کاربرد و ویژگی های چیلر اسکرال بیشتر آشنا می شویم.

چیلر اسکرال چیست؟

چیلر اسکرال (Scroll Ciller) نوعی از سیستم های خنک کاری با چرخه ی تبرید تراکمی است که برای کاربردهای تهویه مطبوع و فرایند استفاده می شود. نام گذاری چیلر اسکرال به دلیل استفاده از کمپرسور اسکرال برای فشرده سازی مبرد در چیلر است.

استفاده از چیلر اسکرال صنعتی برای خنک کاری هوای ساختمان های بزرگ مانند ساختمان های اداری، بیمارستان ها و ساختمان های تجاری یکی از بهترین انتخاب های ممکن است. ( همچنین برای آگاهی از قیمت چیلر صنعتی میتوانید صفحه قیمت چیلر صنعتی را مشاهده کنید. )

همچنین این چیلرها برای کاربردهای فرایند با دمای پایین، بازیافت گرما، ذخیره  ی انرژی گرمایی و تولید یخ مناسب هستند. در گذشته، چیلر اسکرالی که دارای یک کمپرسور بودند، فقط امکان کار در ظرفیت کامل را داشتند اما چیلر اسکرال به روز، امکان کار در بارهای پایین تر از بار نامی با بازده بالا را دارند.

کمپرسورهای اسکرال معمولاً در چیلرهایی با ظرفیت پایین (5-100کیووات به ازای هر کمپرسور) و عمدتاً در پروژه های تهویه مطبوع به کار گرفته می شوند.

نحوه ی کار چیلر اسکرال

چیلر اسکرال از سیکل تبرید تراکمی (Vapor Compression Refrigeration Cycle) برای ایجاد سرمایش استفاده می کند.

چرخه ی تبرید تراکمی بر اساس جوشش مبرد در فشار پایین کار می کند و تمام فرایندهای چرخه، برای بازگرداندن مبرد به حالتی است که امکان انجام دوباره ی این عملیات، وجود داشته باشد. قسمتی که سرمای چیلر اسکرال به خارج از چیلر منتقل می شود، اواپراتور (Evaporator) است.

چیلر اسکرال برای کاربرد تهویه مطبوع یک فضای محدود، طراحی شده و به همین دلیل مستقیماً سرمای چیلر به هوا منتقل می شود.

در این نوع چیلرها، اواپراتور، مبدل حرارتی است که مبرد در داخل لوله های پره دار حرکت کرده و هوا به وسیله ی فن از بین پره ها به جریان درآورده می شود. ( درباره چیلر تهویه مطبوع بیشتر بدانید. )

اگر چیلر اسکرال برای کاربرد فرایند یا به عنوان واحد مرکزی سرمایش استفاده شود، سرمای مبرد در اواپراتور به آب خنک کن داده شده و این آب، سرما را به هدف موردنظر منتقل می کند.

مبرد کم فشار در داخل اواپراتور به بخار تبدیل شده و این عمل، دمای آن را در طول اواپراتور پایین نگه می دارد. در خروجی اواپراتور، مبرد کاملاً به بخار تبدیل شده و تمام ظرفیت آن برای سرمایش، استفاده شده است.

پس ازاین، مبرد وارد کمپرسور (compressor) می شود (برای کسب اطلاعات بیشتر مقاله کمپرسور چیست؟ را مطالعه کنید). بخش کمپرسور در چیلر اسکرال، ویژگی های این نوع چیلرها را مشخص می کند و در بخش بعد، به طور مفصل به بررسی عملکرد این نوع کمپرسور می پردازیم.

فرایند داخل کمپرسور که باعث افزایش فشار مبرد می شود، دمای آن را نیز به میزان زیادی افزایش می دهد. این دما برای ادامه ی کار باید پایین آورده شود و این کار در کندانسور (Condenser) انجام می شود.

به دلیل اینکه ظرفیت اغلب چیلر اسکرال، پایین تر از 100 کیلووات است، این چیلرها اغلب از نوع هواخنک (Air-cooled) هستند. این بدین معنی است که خنک کاری کندانسور در این چیلرها به وسیله ی هوا انجام می شود.

طراحی کندانسور در چیلر شکل بالا شبیه به اواپراتور است که مبرد از داخل لوله های پره دار عبور می کند. فرایند داخل کندانسور، برعکس اواپراتور بوده و مبرد بخار در خروجی کندانسور به مبرد مایع تبدیل می شود. فشار مبرد در خروجی کندانسور، بالا و دمای آن نزدیک به دمای محیط است.

تنها فرایند باقی مانده برای رساندن مبرد به حالت ورودی اواپراتور، فرایند خفانش (Throttling) است که در شیر انبساط (Expansion Valve) انجام می شود. ( در صورت آگاهی بیشتر درباره اوپراتور مقاله علت یخ زدگی اواپراتور چیست را مطالعه کنید. )

فشار مبرد در این فرایند، اصطلاحاً شکسته شده و به طور ناگهانی کاهش می یابد. این کاهش فشار آنی باعث می شود که قسمتی از مبرد خروجی، تبخیر شود و دمای مبرد به دلیل گرماگیر بودن این فرایند، کاهش می یابد.

اکنون مبرد به حالت اولیه ی خود بازگشته و آماده است تا بار دیگر، وظیفه ی خود را انجام دهد. با تکرار پیوسته ی فرایند های بالا، چیلر اسکرال می تواند در کاربردهای مختلف، سرمایش را انجام دهد.

کمپرسور اسکرال

کمپرسور اسکرال (scroll compressor) که با نام پمپ اسکرال، پمپ خلأ اسکرال و کمپرسور مارپیچ نیز شناخته می شود، جزو کمپرسورهای جابجایی مثبت است.

در داخل کمپرسورهای اسکرال، دو یا چند مارپیچ وجود دارد که فشرده سازی مبرد در چیلرها با استفاده از این مارپیچ ها انجام می شود. این مارپیچ ها برخلاف اکثر کمپرسورهای جابجایی مثبت که حرکت رفت وبرگشتی دارند، به صورت دایروی حرکت می کنند.

در کمپرسورهای اسکرالی که دو مارپیچ دارند، یکی از مارپیچ ها متحرک و دیگری ثابت است. زمانی که مبرد در فاز بخار وارد کمپرسور می شود، بین مارپیچ ها گیر افتاده و با حرکت آن ها فشار مبرد افزایش می یابد.

در کمپرسورهای اسکرال متداول، مارپیچ متحرک، 180 درجه حرکت نسبت به مارپیچ ثابت دوران می کند. شکل زیر، مراحل فشرده سازی مبرد در یک کمپرسور اسکرال با دو مارپیچ را نشان می دهد.

مارپیچ متحرک به شفت محرک متصل است درحالی که مارپیچ ثابت برای توانایی تحمل نیروهای حاصل از فشرده شدن مبرد، به بدنه ی کمپرسور متصل است.

متداول ترین و آسان ترین روش تأمین توان کمپرسورهای اسکرال، استفاده از یک الکتروموتور است اما در چیلرهای صنعتی با ظرفیت بالا، استفاده از موتورهای احتراق داخلی نیز امکان پذیر است.

با روشن شدن الکتروموتور، شفت و به دنبال آن، مارپیچ متحرک شروع به دوران می کنند. در اثر دوران مارپیچ متحرک، اختلاف فشاری بین ورودی و خروجی کمپرسور ایجاد می شود. به دلیل این اختلاف فشار، نیروی مکشی باعث کشانده شدن مبرد به داخل کمپرسور می شود.

طراحی کمپرسور به گونه ای است که مبردی که به داخل کمپرسور وارد شده، اجازه ی حرکت مستقیم به خروجی را نداشته و حرکت تنها از بین دو مارپیچ امکان پذیر باشد. ( درباره اجزای کمپرسور و کاربردهای آن بیشتر بدانید. )

با حرکت مارپیچ متحرک، مبرد به مرور به سمت مرکز مارپیچ ها حرکت کرده و به دلیل کاهش فضای بین مارپیچ ها، حجم مبرد، کاهش یافته و درنتیجه فشار آن افزایش می یابد. درنهایت با رسیدن فشار به بیشترین مقدار، مبرد از درگاه خروجی به سمت بیرون از کمپرسور تخلیه می شود.

عملکرد کمپرسورهای اسکرال بسیار روان بوده و طراحی آن ها فشرده است. در مقابل، تعمیر و نگهداری از کمپرسورهای اسکرال، روند پیچیده ای داشته و نیاز به تجربه ی کافی در این زمینه دارد. همچنین هزینه ی این کمپرسورها در مقایسه با سایر کمپرسورها بالا است.

کمپرسورهای اسکرال در اصطلاح جزء دسته ی کمپرسورهای Hermetic به حساب می آیند. بدین معنی که این کمپرسورها مهر و موم شده و در آن ها تمامی متعلقات در یک پوستۀ فولادیِ جوش داده شده قرار دارند.

بنابراین، عملاً در صورت خرابی این کمپرسورها امکان هیچگونه تعمیری وجود نداشته و تنها راهکار موجود، تعویض کمپرسور است؛ چراکه جوشکاری مجدد پوسته، مشابهِ کیفیت کارخانه و بصورت کاملاً هوابند و آب بند امکان پذیر نیست.

سه نوع کمپرسور اسکرال وجود دارد که در چیلر تراکمی (مطالعه بیشتر: چیلر تراکمی چیست و معرفی انواع چیلر تراکمی) استفاده می شوند.

1.کمپرسور اسکرال تک مرحله ای

این نوع از کمپرسورهای اسکرال، رایج ترین کمپرسور برای چیلرهایی با کاربرد خانگی هستند. کمپرسور اسکرال تک مرحله ای ساختار ساده ای داشته و قیمت آن ها نیز پایین است. مهم ترین ایراد این نوع از کمپرسورهای اسکرال، توانایی کار در تنها یک سرعت مشخص است. به عبارت دیگر، کنترل ظرفیت چیلر با تنظیم سرعت کمپرسور اسکرال تک مرحله ای امکان پذیر نیست.

2.کمپرسور اسکرال دومرحله ای

کمپرسورهای اسکرال دومرحله ای می توانند در دو سرعت متفاوت کار کنند. استفاده از این کمپرسورها در چیلرها می تواند عملکرد چیلر را ارتقا دهد. سرعت پایین در چیلرهای خانگی برای ظرفیت کم و کاهش رطوبت هوا استفاده می شود و چیلر در سرعت بالا، با تمام توان کار می کند. بازده کمپرسورهای دومرحله ای بالاتر از کمپرسورهای تک مرحله ای است.

3.کمپرسور اسکرال با ظرفیت متغیر

امکان تنظیم ظرفیت در کمپرسورهای اسکرال با ظرفیت متغیر برای مقادیر مختلف در محدوده ی وسیعی وجود دارد. درصورتی که از این کمپرسورها در چیلرهای تهویه مطبوع خانگی استفاده شود، امکان تنظیم رطوبت و دما به صورت دقیق وجود دارد و در چیلرهای فرایند، این کمپرسورها امکان تنظیم دقیق بار را فراهم می کنند.

مهم ترین مزیت این نوع از کمپرسورهای اسکرال، بازده فوق العاده ی آن ها است که حتی از کمپرسور اسکرال دومرحله ای نیز بالاتر است. بازده کمپرسور اسکرال با ظرفیت متغیر در حدود دو برابر کمپرسور اسکرال تک مرحله ای است.

به همین دلیل در صورت استفاده از این کمپرسور در چیلرها، می توان ضریب عملکرد چیلر را بالا برده و انرژی مصرفی را کاهش داد. هزینه ی کمپرسورهای اسکرال با ظرفیت متغیر، بالاتر از نوع تک مرحله ای و دومرحله ای است.

همچنین برای آگاهی از کمپرسور بخوانید : روغن کمپرسور چیست؟ + نکات کلیدی روغن کمپرسور

مزایای چیلر اسکرال

صرفه جویی در انرژی

یک چیلر یا پمپ گرمایی که از کمپرسور اسکرال استفاده می کند، می تواند به افزایش بازده و کاهش انرژی مصرفی سیستم کمک فراوانی کند.

طبق اطلاعات دپارتمان انرژی ایالات متحده، پمپ های گرمایی که دارای کمپرسورهای اسکرو هستند، می توانند هوایی با دمای 10 تا 15 درجه ی سلسیوس بالاتر از پمپ های مشابه با کمپرسورهای پیستونی ایجاد کنند.

همچنین یک کمپرسور اسکرال کوچک می تواند ظرفیت مشابه یک کمپرسور پیستونی با حجم بزرگ داشته باشد و به همین جهت، استفاده از این کمپرسورها در کاهش فضای موردنیاز چیلر نیز مؤثر است.

طول عمر و دوام

کمپرسورهای اسکرال، تعداد قطعات متحرک کمی دارند که این نکته به طول عمر بالای آن ها کمک می کند. همچنین با گذشت زمان، نه تنها عملکرد این کمپرسورها کاهش نمی یابد، بلکه با سایش قطعات این کمپرسورها، مارپیچ ها راحت تر باهم جفت شده و می توانند مبرد بیشتری را فشرده کنند.

آلودگی های مختلف مانند گردوغبار، تأثیر بسیار بدی در طول عمر کمپرسورهای قدیمی داشت اما در کمپرسورهای اسکرال، این تأثیرات به حداقل رسیده اند.

عملکرد بدون صدا

از دیگر مزایای داشتن تعداد قطعات متحرک کم، صدای بسیار پایین در کمپرسورهای اسکرال است. این کمپرسورها هیچ شیر پرصدایی نداشته و ارتعاش بسیار پایینی دارند.

حتی درصورتی که کمپرسورهای اسکرال در محیط هایی با محدودیت صدا استفاده شود، هیچ مشکلی به وجود نمی آید.

تفاوت چیلر اسکرال و اسکرو

چیلر اسکرال و اسکرو از کمپرسورهایی با مکانیسم مشابه استفاده می کنند و  در ظرفیت های مشخصی (غالباً بین 70 تا 960 کیلووات) امکان استفاده از هر دو نوع کمپرسور اسکرال و اسکرو وجود دارد اما بااین حال، تفاوت هایی بین این دو چیلر وجود دارد. اولین تفاوت عمده بین چیلر اسکرال و اسکرو، رنج توان این چیلرها است.

چیلر اسکرال معمولاً در توان 40 تا 400 تن تبرید یا 140 تا 1400 کیلووات ساخته می شود در حالی که چیلر اسکرو در توان 70 تا 600 تن تبرید یا 250 تا 2100 کیلووات وجود دارد.

همچنین هر دو نوع این چیلرها در مدل هواخنک و آب خنک طراحی و ساخته می شوند اما به دلیل بالاتر بودن ظرفیت چیلرهای اسکرو، نوع آب خنک در این چیلرها بیشتر از چیلر اسکرال است.

درصورتی که از کندانسورهای هواخنک در چرخه ی تبرید استفاده شود، ضریب عملکرد که نشان دهنده ی میزان بازده چیلر است، در چیلر اسکرال اندکی بیشتر از چیلر تراکمی اسکرو است. در مقابل، در صورت آب خنک بودن چیلر، ضریب عملکرد هر دو چیلر نزدیک به هم است.

در چیلر اسکرال، استفاده از یک یا چند کمپرسور اسکرال متداول بوده و کنترل چیلر با استفاده از تنظیم سرعت کمپرسور امکان پذیر است. کمپرسورهای اسکرو به دلیل داشتن 4 شیر برقی، امکان کنترل ظرفیت دست کم تا 4 مرحله به ازای هر کمپرسور را دارند. علاوه بر این، قابلیت کنترل پیوسته ی ظرفیت از 25 تا 100% نیز در این کمپرسورها وجود دارد.

این در حالی است که در کمپرسورهای اسکرال دور ثابت عملاً امکان کنترل ظرفیت وجود نداشته و هر کمپرسور یا خاموش است یا روشن (کنترل ظرفیت به صورت پله ای است). بنابراین در چیلر اسکرال به ازای وجود هر کمپرسور، تنها یک مرحله کنترل ظرفیت تعریف می شود.

این مسئله باعث می شود که در دمای آب، نوسان ایجاد شود اما در اکثر موارد این نوسان قابل قبول است. در چیلرهای اسکرو، درصورتی که کندانسور از نوع آب خنک باشد، معمولاً از یک کمپرسور و درصورتی که کندانسور هواخنک باشد، از یک یا دو کمپرسور استفاده می شود.

از لحاظ سطح صدای تولیدی در چیلرها باید توجه داشت که در ظرفیت های برودتی یکسان، تعداد کمپرسورهای اسکرال بیشتر از کمپرسورهای اسکرو است و این موضوع خصوصاً در ظرفیت های بالا تأثیر خود را در میزان صدای تولیدی بیشتر نشان می دهد.

هرچند عملاً با توجه به همپوشانی صدا، هرگز صدای شنیده شده به ازای افزایش تعداد کمپرسورها چند برابر نمی شود. در مجموع می توان گفت که صدای کارکرد چیلرهای اسکرو کمی بیشتر از چیلر اسکرال است.

سطح صدای کمپرسور اسکرال ۴۰ تا ۶۰ دسیبل و کمپرسور اسکرو ۷۰ تا ۸۵ دسیبل است. البته هر دوی این کمپرسورها نسبت به کمپرسورهای پیستونی صدای کمتری ایجاد می کنند.

در کمپرسورهای اسکرو به کمک نوعی سنسور اُپتیکیِ تعبیه شده بر روی بدنه (Oil level sensor)، می توان کیفیت روغن کاری را به صورت خودکار با اندازه گیری سطح روغن موجود در کمپرسور (بدون تماس مستقیم با روغن) کنترل کرد.

اما در کمپرسورهای اسکرال عملاً هیچ کنترل اتوماتیکی روی کیفیت روغن کاری کمپرسور وجود نداشته و صرفاً می توان از طریق سایت گلاسِ نصب شده بر روی بدنه، به صورت چشمی سطح روغنِ کمپرسور را کنترل کرد. آنچه که توسط سازندگان کمپرسورها اعلام شده به این ترتیب است که عمر کمپرسورهای اسکرال بین 50000 تا 70000 ساعت و عمر کمپرسورهای اسکرو بین 60000 تا 80000 ساعت است.

اکونومایزر، نوعی مبدل حرارتی است که در خروجیِ کندانسور نصب شده و این امکان را فراهم می کند که میزان سابکول ایجادشده (کاهش دمای مایعِ حاصل از تقطیر) در خط مایع، تقریباً بین 10 تا 15 درجۀ سلسیوس افزایش یابد.

به این ترتیب، وجود اکونومایزر باعث می شود که درصد مایعِ موجود در مخلوط دو فازیِ خروجی از شیر انبساط تا حدود 20 درصد بیشتر شود و بدین ترتیب، ظرفیت تولید برودت در اواپراتور افزایش پیدا می کند.

اما نکته اینجاست که فقط در چیلرهای اسکرو امکان استفاده از اکونومایزر وجود دارد. در چیلرهای آب خنک استفاده از اکونومایزر عملاً توجیهی ندارد.

تنها موردی که استفاده از اکونومایزر می تواند به بهبود ظرفیت، کمک زیادی کند، چیلرهای آب خنک زیر صفری هستند که به دلیل پایین بودن دمای تبخیر، کیفیت مایع جریان مبرد ورودی به اواپراتور افت می کند.