اصول کاری و تفاوت‌های عملکردی تجهیزات سرمایشی به زبان ساده

در تجهیزات سرمایشی هدف انتقال گرما از محیط با دمای پایین به محیط با دما بالا و یا به عبارتی دیگر ایجاد سرمایش در محیط دما پایین (فضای مورد تهویه) است. دما به صورت معمول از محل و جسم با دمای بالاتر به محل و جسم با دمای پایین‌تر منتقل می‌شود برای برعکس کردن جهت این تبادل حرارت نیاز به صرف کار مکانیکی است، یکی از روش‌های انجام این کار استفاده از چرخه تبرید تراکمی انجام می‌باشد. درواقع با کمک چرخه تبرید تراکمی می‌توان گرما را در خلاف جهت معمول آن یعنی از محیط با دمای پایین‌تر به محیط با دمای بالاتر منتقل کرد. عموما تجهیزات جدید برای ایجاد سرمایش از چرخه تبرید تراکمی استفاده می‌کنند.

چرخه تبرید تراکمی یکی از چرخه‌های محبوب ترمودینامیکی است که در بسیاری از تجهیزات سرمایشی و حتی گرمایشی (پمپ‌های گرمایی) به‌کار گرفته شده است. محبوبیت چرخه تبرید تراکمی در تجهیزات سرمایشی به حدی است که تقریبا تمام تجهیزات سرمایشی امروزی شامل انواع کولرهای گازی (اسپلیت)، انواع چیلرهای تراکمی، داکت اسپلیت‌ها و VRFها از این نوع چرخه بهره می‌برند. با وجود یکسان بودن چرخه کاری اصلی تجهیزات سرمایشی ذکر شده، تفاوت‌های بسیاری در نحوه عملکرد، بازدهی و مزایای و معایب این تجهیزات وجود دارد که قسمت عمده‌ای از آن به نحوه‌ی اجرای چرخه تبرید تراکمی در این تجهیزات برمی‌گردد، به همین دلیل در این مقاله ابتدا چرخه تبرید تراکمی در تجهیزات سرمایشی به صورت ساده و مفهومی تشریح شده و سپس به چگونگی اجرای چرخه تبرید تراکمی و جنبه‌های متفاوت این چرخه در تجهیزات مختلف که باعث ایجاد تفاوت­های اساسی در نحوه عملکرد و بازدهی آن‌ها می‌شود، پرداخته شده است.

برای داشتن درک کامل و بهتر از فرآیند تولید سرمایش توسط چرخه تبرید تراکمی، شماتیک این چرخه و نمودارهای P-v و T-S که می‌توانند اطلاعات ارزشمندی از چرخه در اختیار قرار دهند، در شکل 1 ارائه شده‌اند. چرخه تبرید تراکمی از چهار عنصر اصلی کمپرسور، کندانسور، اواپراتور و یک وسیله انبساطی (مانند شیر انبساط یا لوله موئین) تشکیل می‌شود.

شکل 1. شماتیک چرخه تبرید تراکمی ساده

 

 

شکل 2. سمت چپ: نمودار T-S (دما- آنتروپی) سمت راست: نمودار P-v (فشار-حجم مخصوص) برای چرخه تبرید تراکمی ساده

تذکر:

  • در شکل‌های بالا نقطه قبل از کمپرسور (مکش کمپرسور) 1 در نظر گرفته شده و سایر نقاط با توجه به آن نام‌گذاری شده‌اند.
  • چرخه به صورت ایده‌آل بررسی شده است.

در نقطه 1 مبرد با شرایط تقریبی محیط و حالت بخار اشباع وارد کمپرسور می‌شود. در کمپرسور همان‌طور که از نام آن مشخص است مبرد گازی متراکم (فشرده) شده و در نتیجه فشار و دمای آن افزایش می‌یابد. در واقع همان‌طور که در نمودارهای T-S و P-v به خوبی مشخص است کمپرسور مبرد را از نقطه 1 با شرایط اولیه تقریبا مشابه محیط و حالت بخار اشباع به نقطه 2 با دما و فشاری بالاتر از نقطه 1 و حالت مافوق گرم می‌رساند. در ضمن در این فرآیند حجم مخصوص کاهش یافته و آنتروپی (S) ثابت می‌ماند (نمودار T-S را ببینید). مبرد بعد از خروج از کمپرسور وارد کندانسور می‌شود تا فرآیند 2-3 را طی کند. کندانسور‌ها نوعی مبدل حرارتی هستند که کار آن‌ها تبادل دما می‌باشد. مبرد دما بالا با از دست دادن گرمای خود در کندانسور (تبادل حرارت با محیط دما بالا) در فشار ثابت به مبرد با دمای تقریبی محیط و حالت مایع اشباع تبدیل می‌شود. همان‌طور که در نمودارها مشخص است فرآیند طی شده در کندانسور فشار ثابت بوده ولی دما، حجم مخصوص و آنتروپی در آن کاهش می‌یابد. مبرد خروجی از کندانسور (نقطه 3) وارد وسیله انبساطی می‌شود تا فرآیند 3-4 را طی کند. در وسیله انبساطی کاهش فشار و در نتیجه کاهش دما رخ می‌دهد. البته این موضوع به نوع مبرد، دما و ضریب ژول تامسون بستگی دارد. چرا‌که در فرآیند انجام شده در وسیله انبساطی از نوع آنتالپی ثابت مانند شیرهای انبساط، مبرد ممکن است با کاهش یا افزایش دما همراه بوده و یا دمای آن تغییر نکند. به همین دلیل در طراحی چرخه‌های تبرید تراکمی برای سرمایش باید حتما این نکته در نظر گرفته شده و طراحی به گونه‌ای باشد که چرخه در حالت کارکرد بهینه باشد. در خروجی وسیله انبساطی (نقطه4) مبرد که با کاهش فشار به فشار اولیه‌ای در نقطه 1 رسیده دارای دمایی پایین و حالت دوفازی می‌باشد، بنابراین کاملا آماده است تا سرمایش فضای مورد نظر را از طریق اواپراتور تامین کند. اواپراتورها نیز مانند کندانسورها نوعی مبدل حرارتی هستند که برای انتقال حرارت طراحی شده‌اند. مبرد دوفازی دما پائین بدست آمده در خروجی وسیله انبساطی با طی کردن فرآیند 4-1 که یک فرآیند فشار ثابت است، با افزایش دما به حالت اولیه در نقطه یک که بخار اشباع در دما و فشار محیط است می‌رسد. تکرار پیوسته این فرآیند در تجهیزات سرمایشی ما را قادر به تولید سرمایش و ایجاد تهویه مناسب می‌کند.

همان‌طور که در مطالب بالا گفته شد تقریبا اساس کار تمام تجهیزات سرمایشی چرخه تبرید تراکمی است. اما نکته‌ای که مطرح است تفاوت تجهیزات موجود با وجود یکسان بودن چرخه پایه‌ای تمام آن‌ها است. در ادامه به تشریح تفاوت‌ها موجود در تجهیزات سرمایشی پرداخته می‌شود که بر اساس چرخه تبرید تراکمی استوارند.

پیش از هر چیز برای درک بهتر تفاوت تجهیزات مختلف آن‌ها را به دو دسته تجهیزات سرمایشی مستقیم و غیر مستقیم تقسیم می‌کنیم. در تجهیزات سرمایشی مستقیم شامل تجهیزاتی مانند سیستم‌های VRF، اسپلیت‌ها، داکت اسپلیت‌ها و تجهیزات مشابه، اواپراتور در محیط مورد تهویه قرار گرفته و در واقع سرمایش تولیدی به صورت مستقیم از مبرد به محیط مورد تهویه منتقل می‌شود اما در تجهیزات غیر مستقیم مانند چیلرهای تراکمی مبرد در اواپراتور آب را خنک کرده و آب خنک شده است که فضای مورد نظر را خنک می‌کند. در‌واقع در این نوع تجهیزات یک واسط انتقال حرارت اضافه به اسم آب در مجموعه اضافه می‌شود.

تجهیزات سرمایشی مستقیم را هم می‌توان‌ در‌ دو گروه عمده دسته‌بندی کرد. در دسته اول که از نمونه‌های آن می‌توان به سیستم‌های VRF‌ اشاره کرد، وسیله انبساطی در داخل فضای مورد تهویه قرار دارد، در نتیجه فرآیند انبساط که با کاهش دمای مبرد و تولید سرمایش همراه است در داخل فضای مورد تهویه انجام می‌گردد. در دسته دوم که از نمونه‌های آن می‌توان به اسپلیت‌ها و تجهیزات مشابه اشاره کرد وسیله انبساطی در فضای باز (خارج فضای مورد تهویه) قرار دارد. بنابراین در این نوع تجهیزات فرآیند انبساط و در نتیجه کاهش دما و تولید سرمایش در خارج از فضای مورد تهویه انجام گرفته و مبرد خنک شده به فضای مورد تهویه منتقل می‌گردد. با این دسته‌بندی تجهیزات سرمایشی در ادامه در سه گروه شامل VRFها، چیلرهای تراکمی و اسپلیت‌ها از نظر اصول کاری و تفاوت‌های عملکردی مقایسه می‌شوند.

مقایسه اسپلیت‌ و VRF

همان‌طور که در شکل‌های زیر مشخص است در اسپلیت‌ها وسیله انبساطی به همراه کمپرسور و کندانسور در یونیت خارجی قرار داشته و به ازای هر یونیت داخلی باید یک یونیت خارجی نیز داشته باشیم اما در سیستم VRF وسیله انبساطی در یونیت داخلی وجود داشته و با توجه به قابلیت اتصال چندین یونیت داخلی به هر یونیت خارجی در هر مجموعه به تعداد یونیت‌های داخلی وسیله انبساطی داریم. بنابراین در اسپلیت‌ها مبرد در یونیت خارجی (فضای بیرون) خنک شده و به یونیت داخلی ارسال می‌گردد اما در سیستم‌های VRF، مبرد بعد از خروج از کندانسور و در حالتی که دمایی نزدیک به دمای محیط دارد به سمت یونیت‌های داخلی ارسال شده و در یونیت‌های داخلی (داخل فضای مورد تهویه) فرآیند انبساط و تولید سرمایش انجام می‌گردد. در صورت پایین‌تر بودن دمای جریان مبرد از دمای محیط، انتقال حرارت و در نتیجه اتلافات حرارت اجتناب‌ناپذیر است. بنابراین در اسپلیت‌ها همواره در مسیر لوله‌کشی بین یونیت خارجی و داخلی با توجه این‌که مبرد خنک شده جریان دارد با اتلافات حرارتی روبه‌رو هستیم اما در سیستم VRF چون مبرد خروجی از کندانسور دمایی نزدیک به دمای محیط (کمی بالاتر از محیط) دارد نه تنها در مسیر بین یونیت خارجی به یونیت داخلی هیچ اتلاف حرارتی ندارد بلکه با توجه به عملکرد مسیر لوله‌کشی مانند کندانسور با بهبود اندکی نیز رو‌به‌رو هستیم.

در VRFها مبرد خروجی از یونیت خارجی مایع است ولی در اسپلیت‌ها با توجه به وجود وسیله انبساطی در یونیت خارجی مبرد خروجی از یونیت خارجی به صورت دو فازی می‌باشد. از آن‌جایی که تقسیم مایع خالص بسیار ساده‌تر از تقسیم مخلوط دو فازی بخار و مایع است به همین دلیل در VRFها به سادگی از انشعابات استفاده کرده و به هر یونیت خارجی چندین یونیت داخلی متصل می‌شود ولی در اسپلیت‌ها هر یونیت خارجی تنها به یک یونیت داخلی متصل می‌گردد.

در کنار این تفاوت‌ها نباید از ظرفیت و اندازه کوچک‌تر اجزای تشکیل دهنده اسپلیت‌ها در مقایسه با VRFها نیز غافل شد چرا که این موضوع هم ضمن ایجاد محدودیت‌هایی برای اسپلیت‌ها، کاهش بازدهی را نیز به همراه دارد.

 شماتیک چرخه تبرید تراکمی در VRFها

 

تصویر بالا، نمونه یونیت‌ خارجی (سمت راست و شامل: کمپرسور و کندانسور) و یونیت‌های داخلی (سمت چپ و شامل اواپراتور و شیر انبساط) VRF و نحوه ارتباط آن‌ها از طریق لوله‌کشی– خط قرمز مربوط به جریان مبرد از یونیت خارجی به یونیت داخلی بوده و خط آبی مربوط به جریان مبرد از یونیت داخلی به سمت یونیت خارجی

شماتیک چرخه تبرید تراکمی در اسپلیت‌ها

تصویر بالا نمونه یونیت خارجی (سمت راست: شامل کندانسور، کمپرسور و وسیله انبساطی) و یونیت داخلی (سمت چپ: شامل اواپراتور) و نحوه ارتباط آن‌ها از طریق لوله کشی- خط قرمز مربوط به جریان مبرد از یونیت خارجی به یونیت داخلی بوده و خط آبی مربوط به جریان مبرد از یونیت داخلی به سمت یونیت خارجی

مقایسه چیلر و VRF

برای درک تفاوت چیلرهای تراکمی با سیستم VRF نیز می‌توان به چرخه کاری آن‌‌ها مراجعه کرد. همان‌طور که در شکل‌های زیر مشخص است و قبلا نیز توضیح داده شد در VRF مبرد بعد از عبور از وسیله انبساطی و تولید سرمایش به صورت مستقیم وارد اواپراتور (در یونیت داخلی) شده و فضای مورد نظر را خنک می‌کند. اما در چیلر اوضاع متفاوت است. در چیلر علاوه بر مبرد، واسطه انتقال حرارت آب نیز وجود دارد. در‌واقع در چیلر تمام اجزای چرخه تبرید در چیلر قرار داشته و در همان‌جا سرمایش تولید می‌شود اما سرمایش تولید شده توسط مبرد توسط یک مبدل حرارتی (در نقش اواپراتور) به آب منتقل شده و آب خنک شده از طریق سیستم لوله‌کشی به درون فن‌کویل‌ها در فضاهای مورد تهویه رفته و آن فضا را خنک می‌کند. بنابراین در چیلرها در مقایسه با سیستم‌های VRF یک واسطه انتقال حرارت بیش‌تر وجود داشته و با توجه به این‌که همواره در انتقال حرارت از یک واسط به واسط دیگر اتلافاتی ایجاد می‌شود، در این حالت هم در چیلرها به نسبت VRFها اتلافات بیش‌تری وجود خواهد داشت. در کنار این موضوع باید یاد آوری کرد که در چیلرها آب خنک شده در مسیر خود به سمت فن‌کویل‌ها ضمن داشتن اتلاف حرارتی افت فشار بیش‌تری نسبت به حالتی که مبرد انتقال داده می‌شود را تجربه می‌کند. بنابراین در شرایط کلی چیلرها به دلیل وجود منابع اتلافی مانند یک واسط انتقال حرارت بیش‌تر، اتلاف حرارتی در مسیر بین چیلر و فن کویل و افت فشار بیش‌تر در مسیر بازده کم‌تری نسبت به VRF خواهد داشت.

شماتیک چرخه تبرید تراکمی در چیلرها

پ

تصویر بالا نمونه چیلر و فن کویل به همراه مسیر لوله‌‌کشی شماتیکی- کل چرخه تبرید تراکمی در چیلر وجود داشته و آب خنک شده از چیلر به فن کویل‌ها ارسال می‌شود

نتیجه‌گیری:

عمده تجهیزات سرمایشی مانند چیلرها، VRFها، اسپلیت‌ها و داکت اسپلیت‌ها از اصول اولیه یکسانی به نام چرخه تبرید تراکمی برای تولید سرمایش استفاده می‌کنند اما تفاوت‌های اولیه در اجرای چرخه تبرید تراکمی در این سیستم‌ها باعث ایجاد تغییرات در عوامل اتلافی و در نتیجه تغییر بازدهی و انعطاف در عملکرد در این تجهیزات شده است. چیلرها به دلیل وجود عوامل اتلافی مانند وجود یک واسطه انتقال حرارت اضافه، اتلاف حرارتی در مسیر لوله‌کشی و افت فشار بالاتر در شرایط عمومی یکسان، بازدهی کم‌تری نسبت به VRFها دارند. در مقایسه اسپلیت‌ها با VRFها هم به دلیل وجود اتلاف در مسیر لوله‌کشی، بازدهی اسپلیت‌ها پایین‌تر از VRF خواهد بود. بنابراین اگر تنها به اصول کارکرد اولیه سیستم‌ها توجه شود می‌‌تواند فهمید که سیستم‌ VRF بالاترین بازدهی را داشته و در صورت یکسان بودن شرایط ساخت و تکنولوژی می‌تواند بیش‌ترین بازدهی را ارائه دهد.

Device rotate

لطفاً برای تجربه کاربری بهتر دستگاه خود را ۹۰ درجه بچرخانید.