چیلرها تجهیزاتی برای سرمایش محیط هستند که در انواع مختلف تراکمی و جذبی ساخته می‌شوند. این تجهیزات از دستگاه‌های متداول برای کاهش دمای محیط‌ها هستند که می‌توان در موارد بسیاری از آن‌ها استفاده کرد. این دستگاه‌ها تکمیل کننده کار فن کویل‌ها و اگزاست فن‌ها هستند. چیلر سازوکار خاص خود را دارد که در این مقاله به جزئیات و نحوه کار آن‌ها اشاره می‌کنیم.

چیلر چیست؟

به‌طور کلی چیلرها دستگاه‌هایی تشکیل شده از چند قسمت مختلف هستند که باعث سرد شدن آب می‌شوند. از این آب سرد شده، در تجهیزات دیگری عمدتا به منظور تهویه هوا و سرمایش مکان مورد نظر استفاده می‌شود. هر چیلر از روندهای تقطیر و تبخیر یک ماده که در این جا مبرد نامیده می‌شود، استفاده می‌کند تا آب را خنک کند. سپس از آن آب خنک شده در یک دستگاه دیگر برای سرمایش هوا یا محیط استفاده می‌شود.

در واقع یک چیلر از واکنش‌های طبیعی فیزیکی استفاده می‌کند تا دمای آب را کاهش داده و آن را در اختیار تجهیزات دیگر تهویه هوا قرار دهد. این تجهیزات می‌توانند دستگاه‌هایی مثل فن کویل‌ یا هواساز باشند که در کاربردهای متنوع مورد استفاده قرار می‌گیرند.

چیلرها در انواع مختلف تولید می‌شود که اگرچه کلیات آن‌ها مشابه است، اما می‌توانند در نحوه و جزئیات کارشان تفاوت‌هایی داشته باشند. به‌طور کلی چیلرها را به دو دسته چیلرهای تراکمی و جذبی تقسیم‌بندی می‌کنند که هر یک از آن‌ها چند نوع دارند. برای مثال چیلرهای تراکمی در دو دسته چیلرهای تراکمی آب خنک و هوا خنک قرار می‌گیرند.

کاربرد چیلر

همانطور که گفتیم، وظیفه اصلی چیلرها پایین آوردن دمای آب است که از آن آب سرد شده برای مصارف گوناگون استفاده می‌شود. فرایند تبخیر و تقطیر مداومی که در چیلر اتفاق می‌افتد و چرخه‌ای که اجرای آن تکرار می‌کنند، حرارت را از آب گرفته و دمای آن را پایین می‌آورد. کاربردهای اصلی چیلرها به استفاده از آب خنکی که تامین می‌کنند، برای سرمایش یک محیط، ساختمان یا کاربرد آن در مصارف صنعتی بر می‌گردد.

آبی که درون یک چیلر سرد شده، از راه لوله‌کشی و با کمک پمپ‌هایی که در ساختار دستگاه تعبیه می‌شود، به سمت تجهیزات تولید کننده سرما هدایت می‌شود. تجهیزات سرمایش در این جا می‌توانند فن کویل‌های نصب شده در یک بنا یا دستگاه‌های هواساز باشند. در هر صورت، آب خنک شده قادر است هوا را سرد کند و این هوای سرد شده، به وسیله کار پره‌های فن در محیط مورد نظر توزیع می‌شود.

سرمایش ایجاد شده از چیلرها شروع و سپس توسط تجهیزات مکملی مثل فن یا هواساز وارد مکان مطلوب می‌شود. کار آن‌ها در این چرخه، فراهم کردن آب سرد است تا فرایند آغاز شود. ممکن است از آب سرد چیلر و هوایی که خنک می‌کند، برای پایین آوردن دمای ساختمان مسکونی و مناسب‌سازی برای اسکان افراد استفاده شود. همچنین  این روند برای کاهش دمای یک فضای صنعتی و تجهیزات و دستگاه‌های درون آن به‌کار برده می‌شود. بنابراین چیلرها می‌توانند در ابعاد وسیعی و موارد گوناگون مورد استفاده قرار بگیرند.

در این میان می‌بایست لوله‌های انتقال دهنده آب سرد، عایق کاری شده باشند تا از گرم شدن دوباره آب درون آن‌ها جلوگیری شود. این کار هم بازدهی کلی سیستم چیلرها را حفظ کرده و از هدر رفت انرژی جلوگیری می‌کند و هم اجازه ایجاد برفک بر روی سطح خارجی لوله‌های آب سرد را نخواهد داد. آب خنک شده در این چرخه، در یک مدار بسته شامل لوله و کویل یا پمپ در حرکت است و دچار تبخیر نمی‌شود.

بیشترین کاربرد چیلرها در تابستان و فصول گرم سال خواهد بود که در اختیار وسایل سرمایشی ساختمان‌ها قرار می‌گیرند. در تابستان آب خنک شده توسط چیلر در لوله‌های مسی (متعلق به هواساز یا فن کویل) به جریان در می‌آید و هوای اطراف لوله یا کویل سرد می‌شود. این هوا توسط فن مکش شده و بعد از سرد شدن دوباره توسط پره‌های فن در فضای سربسته به گردش در می‌آید.

در فصل‌های سرد هم وسایل گرمایشی با تامین آب گرم، جای چیلرها را گرفته و فن کویل‌ها را برای گرمایش محیط هدایت می‌کنند.

اجزای سازنده چیلر

برای آشنایی با نحوه کار چیلرها، ابتدا باید با اجزای تشکیل دهنده آن آشنا شویم. در ساختار اکثر چیلرهای تراکمی آب خنک، 4 قسمت اساسی وجود دارد. در چیلرهای مختلف ممکن است قسمت‌هایی بیشتر یا کمتر وجود داشته باشند. اما در این جا برای آشنایی به مهمترین و کلیدی‌ترین اجزای سازنده چیلرها اشاره می‌کنیم. از این اجزای تشکیل دهنده آب، سیال مبرد، نیروی الکتریسیته و… عبور می‌کنند تا یک سیکل منظم را برای سردسازی آب ایجاد کنند.

1- کمپرسور

هر چیلر می‌تواند یک یا چند عدد کمپرسور در ساختار خود داشته باشد. در کمپرسورها ماده‌ای به نام مبرد که در فاز گازی است، تحت فشار زیاد قرار می‌گیرد و سپس به سمت جزء بعدی فرستاده می‌شود. در این روند، هم فشار و هم دمای مبرد افزایش پیدا می‌کند. لوله‌هایی نیز به آن وصل شده‌اند که مبرد را به حالت گاز وارد کمپرسور کرده و سپس به حالت فشرده و گرم از آن خارج کرده و به سمت جزء بعدی چیلرها هدایت می‌کنند.

انواع مختلفی از کمپرسور وجود دارد که چیلرهای متفاوتی را می‌سازند و مهم‌ترین آن‌ها شامل اسکرو، اسکرال، پیستونی و سانتریفیوژ هستند.

2- کندانسور چیلر

کندانسورها نوعی مبدل حرارتی هستند؛ به این معنا که در انتقال حرارت مبرد به ماده اطراف لوله‌های دستگاه نقش دارند. ماده اطراف لوله‌ها ممکن است هوا یا آب باشد. در ساختار چیلرهای تراکمی آب خنک، ماده اطراف لوله‌ها آب است و در مورد چیلرهای تراکمی هوا خنک، این ماده هوا خواهد بود.

در کندانسورهای آب خنک، ساختاری به شکل لوله و پوسته دارد که داخل لوله‌ها مبرد جریان دارد و از اطراف لوله‌ها نیز آب رد می‌شود. مبردی که توسط کمپرسور گرم و فشرده شده، در این قسمت حین عبور از لوله کندانسور گرمای خود را به آبی که از اطراف لوله‌ها عبور می‌کند، داده و با کاهش دما تقطیر می‌شود.

بنابراین مبرد با رد شدن از کندانسور چیلر، از فاز گازی به حالت مایع تبدیل خواهد شد. همچنین آبی که اطراف کویل‌ها جریان دارد، گرمای مبرد را جذب کرده و دمای آن افزایش می‌یابد. این عملکرد کلی کندانسوری است که در چیلرهای تراکمی آب خنک وجود دارد.

در صورتی که در چیلرهای تراکمی هوا خنک، این روند کمی متفاوت است. در ساختار کندانسور آن‌ها در اطراف لوله‌ها، به جای آب از هوا استفاده می‌شود. یک فن، هوا را در تماس با لوله‌های حاوی مبرد به جریان می‌اندازد. جریان هوا حرارت را از مبرد دریافت کرده و باعث تبدیل آن به مایع می‌شود.

3- برج خنک کننده

آبی که در کندانسور چیلر تراکمی گرم شده، برای این که مجددا در چرخه کار دستگاه قابل استفاده باشد، باید خنک شود. برای این امر وارد یک برج خنک کننده یا کولینگ تاور می‌شود. در آن جا آب گرمای اضافی خود را از دست داده و بعد از خنک شدن به وسیله یک پمپ آب، دوباره به طرف کندانسور پمپاژ خواهد شد. به این شیوه، آب در چرخه‌ای به حرکت در می‌آید تا بارها مورد استفاده قرار گیرد.

این قسمت متعلق به چیلرهای تراکمی آب خنک است و در مورد چیلرهای هوا خنک، نیازی به استفاده از برج خنک کننده وجود ندارد. چراکه آبی مورد نیاز نیست و جریان هوا که آزادانه توسط فن‌ها هدایت می‌شود، کار تخلیه حرارت از سیستم را انجام می‌دهد.

4- شیر انبساط در چیلر

قسمت بعدی در ساختار چیلرها، یک شیر انبساط است که کار آن، منبسط کردن دوباره‌ی مبردی است که در لوله‌های آن وجود دارد. یک شیر انبساط در کاهش فشار سیال مبرد و منبسط کردن آن کاربرد دارد. مبرد با عبور از آن، مجددا از حالت مایع به حالت گاز تغییر فاز می‌دهد. اما این تغییر حالت برای تمام ماده مبرد اتفاق نیفتاده و تقریبا 25% آن مبدل به گاز می‌شود. پس می‌توان گفت در خروجی شیر انبساط در چیلرهای تراکمی، مبرد ترکیبی از فاز مایع و گاز دارد.

5- اواپراتور

بعد از شیر انبساط، لوله‌های حاوی مبرد به قسمتی به نام اِواپراتور می‌رسند. عمدتا ساختار آن مانند مبدل کندانسور، از لوله و پوسته تشکیل شده است. مبردی که در لوله‌ها جریان دارد، وقتی به اپراتور چیلر می‌رسد، مخلوطی از گاز و مایع است که میل بالایی برای کاملا رفتن به فاز گازی دارد. بنابراین در اواپراتور برخلاف کندانسور که مبرد تقطیر می‌شد، دچار تبخیر می‌شود. این دو مبدل حرارتی (کندانسور و اواپراتور) برعکس همدیگر عمل می‌کنند.

مبرد در ساختار اواپراتورها، گرما را از آبی که اطراف لوله‌ها در جریان است جذب می‌کند. این موضوع باعث سرد شدن آب خروجی از اواپراتور خواهد شد. آبی که در طول این فرایند سرد شده، با کمک یک پمپ آب به سمت دستگاه‌های ثانویه فرستاده می‌شود که برای کارکرد خود به آب خنک نیاز دارند.

دستگاه ثانویه که آب سرد شده توسط چیلر را مصرف می‌کند، می‌تواند یک فن کویل یا هواساز باشد. استفاده از آب سرد در خنک کردن هوا جهت تهویه هوا، سرمایش محیط و یا کاهش دمای تجهیزات صنعتی و برودت دستگاه‌های کارخانجات بسیار متداول است. بعد از اینکه در اواپراتور مبرد کاملا به فاز گازی تبدیل شده و آب خنک شد، مبرد درون لوله‌ها تا کمپرسور هدایت می‌شود تا کل این چرخه دوباره تکرار شود.

نحوه کار چیلرها چگونه است؟

شیوه کار چیلرها به نحوی است که یک مبرد و یک سیال دیگر که می‌تواند آب یا هوا باشد، درون کل سیستم به چرخش در می‌آید. حرارت بین مبرد و سیال دوم (آب یا هوا) به‌طور مداوم جابجا شده و بر اثر این تغییر دما مبرد به شکلی پی در پی دچار تغییر فاز به گاز یا مایع می‌شود.

نحوه کار چیلرهای تراکمی

وقتی مبرد چیلر در حالت گاز است، فشرده و گرم می‌شود. سپس در کندانسور حرارت خود را به آب یا هوای اطراف لوله‌ها می‌دهد تا دمایش کاهش یافته و مایع شود. در ادامه مبرد مایع از شیر انبساط عبور کرده و با کاهش فشار، کمی به سمت گازی شدن تغییر شکل می‌دهد. بعد از آن با رسیدن به اواپراتور چیلر، حرارت را از آب گرفته و بطور کامل به فاز گاز تبدیل می‌شود. در عوض آب اطراف لوله‌های مبرد خنک می‌شود.

برای این که از یخ زدن آب در چیلرها جلوگیری شود، از بعضی ترکیبات مانند گلایکول استفاده می‌شود تا نقطه انجماد آب کاهش یابد. در چیلرهای تراکمی، از انرژی الکتریسیته و در چیلرهای جذبی، از انرژی گرمایی استفاده می‌شود.

نحوه کار چیلر جذبی

نحوه کار چیلرهای جذبی با چیلرهای تراکمی تفاوت‌هایی دارد. در چیلر جذبی اواپراتور به گونه‌ای طراحی شده که در آن مبرد آب مقطر بوده و روی لوله‌هایی حاوی آب، اسپری می‌شود. فضای داخل اواپراتور خلأ است که باعث تبخیر سریع مبرد از روی لوله‌ها شده و در نتیجه آب درون لوله‌ها را سرد می‌کند. آب خنک شده با پمپ آب به سمت فن کویل‌ها هدایت می‌شود.

جزء دیگر چیلر‌های جذبی Absorber یا جاذب است که دارای ترکیبی به نام لیتیوم بروماید بوده و بخار آب را به خودش جذب می‌کند. پس مبردی که تبخیر شد، دوباره جذب شده و به‌وسیله یک پمپ به سمت ژنراتور فرستاده می‌شود.

در ژنراتور، جداسازی ماده جاذب از مبرد انجام شده و بخار آب با رفتن به سمت کندانسور، تقطیر می‌شود. محلول لیتیوم بروماید هم مجددا غلیظ شده و به ابزوربر برمی‌گردد. در کندانسور چیلر، آب از حالت بخار به مایع تغییر فاز می‌دهد. یک برج خنک کننده نیز در این نوع چیلرها می‌تواند وجود داشته باشد که حرارت اضافی چرخه را دفع می‌کند.