بازیافت انرژی در چیلر

دستگاه چیلر از طریق اواپراتور انرژی گرمایی را از محیط گرفته و از طریق کندانسور آن را به محیط اطراف دفع می­ کند. این میران انرژی دارای قابلیت استفاده مجدد بوده که استفاده از آن علاوه بر کاهش هزینه ­های مربوط به تامین گرمایش در ساختمان­ ها، کمک قابل توجهی به حفظ محیط زیست از طریق کاهش مصرف سوخت­ های فسیلی می نماید. در این مقاله، موارد فنی مربوط به استفاده از این قابلیت در چیلرهای کارا تهویه مورد بررسی قرار می­ گیرد.

مبرد پس از خروج از کمپرسور دارای دمای بالایی می­ باشد که این دما با توجه به نوع کمپرسور، نوع مبرد و شرایط کارکرد اعم از بار مورد نیاز و شرایط آب و هوایی محل پروژه متغیر می ­باشد (بین ۵۰ درجه سانتیگراد در شرایط میان باری و بیش از ۷۰ درجه سانتیگراد در شرایط بار کامل).

استفاده از یک مبدل حرارتی بعد از کمپرسور امکان بهره­ برداری از انرژی مبرد پیش از انتقال به کندانسور و محیط را راهم می ­سازد. در این مبدل، مبرد با دمای بالا حرارت خود را به آب داده و دمای آن را افزایش می­ دهد. این آب قابلیت استفاده به عنوان آبگرم بهداشتی در ساختمان­­ ها با کاربری های مختلف را داشته و در صورت استفاده از منبع کویلی در کنار چیلر، امکان استفاده از آبگرم تولید شده توسط چیلر در تمام طول شبانه روز فراهم می گردد. استفاده از مبدل بازیافت انرژی علاوه بر تولید آبگرم مزایای دیگری به همراه دارد که در ادامه بیان می ­گردد.

1. افزایش ۴ درصدی ظرفیت سرمایشی دستگاه
2. کاهش ۳٫۴ درصدی مصرف برق
3. افزایش ۷ درصدی EER دستگاه
4. افزایش ۶ درصدی ESEER دستگاه
5. حذف یا کاهش مصرف سوخت (گاز شهری) در فصل کاری چیلر (به منظور تولید آبگرم)
6. حذف آلایندگی حاصل از سوختن گاز در فصل کاری چیلر
7. حذف برق مورد نیاز مشعل و پمپ مربوطه
8. خاموش ماندن دیگ در موتورخانه در فصل کاری چیلر و درنتیجه حذف استهلاک ناشی از عملکرد دیگ و مشعل در تابستان
9. کم شدن استهلاک کمپرسور و البته افزایش طول عمر ماشین به سبب پایین آمدن اختلاف فشار بین رانش و مکش

با بکارگیری سیستم بازیافت انرژی ضمن صرفه­ جویی در هزینه­ های جاری انرژی و کم کردن استهلاک تجهیزات گرمایی (همچون بویلر و مشعل) به پاکی هوا و تمیزی آسمان شهرمان کمک نموده­ ایم و پاداش این امر بازگشت سرمایه­ گذاری اولیه در مدت زمان کوتاه (۲ سال در مصارف مسکونی) پیش بینی می ­شود (در کاربری­های غیر مسکونی این زمان می تواند کوتاهتر گردد.)

بررسی ترمودینامیکی چیلر مجهز به بازیافت انرژی

همانگونه که می­ دانیم هر سیکل تبرید از ۴ عنصر اصلی کمپرسور (متراکم کننده)، کندانسور (مایع کننده)، شیر انبساط و اواپراتور (تبخیر کننده) تشکیل شده است. کمپرسور با جذب انرژی (الکتریکی یا مکانیکی) مبرد را فشرده می­ سازد. کندانسور (مایع کننده) حرارت مبرد را به واسطه آب یا هوا به محیط دفع می­ کند و اواپراتور (تبخیر کننده) با جذب گرمای سیال واسط (آب یا هوا) سبب تولید برودت می­ گردد. در ادامه، منحنی ترمودینامیکی  T-S سیکل تبرید، به صورت خلاصه مورد بررسی قرار می­ گیرد.

مبرد در نقطه ۷ در حالت فوق گرم (سوپرهیت) وارد پوسته کمپرسور می ­گردد و بواسطه جذب حرارت از سیم­پیچ درون کمپرسور، دمای آن افزایش می­ یابد. مبرد سپس وارد محفظه تراکم کمپرسور شده و با افزایش دما و فشار در نقطه ۲، از آن خارج می­ گردد. پس از خروج گاز فوق گرم از کمپرسور، دمای مبرد در کندانسور کاهش یافته و با افت فشار جزئی به نقطه ۳ می­ رسد. سپس مبرد در حالت مادون سرد (sub-cool) وارد فیلتر درایر (drier) شده و پس از افت فشار جزئی در نقطه ۴ وارد شیر انبساط می ­گردد. فشار و دمای مایع مادون سرد پس از عبور از شیر انبساط به شدت کاهش یافته و در نقطه ۵ به حالت دو فازی (مایع و گاز) در می ­آید. سیال دو فازی پس از عبور از توزیع کننده (Distributer) پیش از تبخیر کننده (اواپراتور) مقداری افت فشار در نقطه ۶ خواهد داشت. اواپراتور با جذب حرارت از محیط (آب یا هوا) و خنک کردن آن سبب گرم شدن مبرد، تغییر حالت و تبدیل شدن آن به گاز و سرانجام گاز فوق گرم می­ گردد و این گاز فوق گرم در نقطه ۷ از اواپراتور خارج می ­شود.

وجود بازیافت انرژی در کندانسور سبب پایین آمدن دمای مبرد ورودی به کندانسور می­ گردد. توضیح اینکه گاز فوق گرم با عبور از بازیافت انرژی، مقداری از انرژی خود را به آب (آبگرم مصرفی) می­ دهد و سبب کاهش دمای گاز فوق گرم ورودی به کندانسور می­ شود. این امر علاوه بر پایین آوردن دمای گاز فوق گرم، سبب کاهش انرژی مورد نیاز جهت دفع گرما به محیط از طریق کندانسور می­ گردد (کاهش انرژی مصرفی فن­ها در سیستم های هواخنک و کاهش میزان مصرف آب خنک کننده و انرژی مصرفی فن برج خنک کننده در سیستم­ های آب خنک).

با توجه به موارد ذکر شده، در حالتی که چیلر مجهز به سیستم بازیافت انرژی ­باشد، تغییراتی در نمودار T-S سیکل تبرید بوجود می­ آید. در مرحله اول به دلیل کاهش دمای مبرد خروجی از کمپرسور، کار ورودی به کمپرسور کاهش می­ یابد (طول خط ۲-۱ کاهش می ­یابد). همچنین با توجه به جذب حرارت از مبرد پیش از ورود به کندانسور، دمای مبرد پس از خروج از کندانسور کاهش بیشتری داشته به اصطلاح نسبت به حالت عادی sub-cool می­ گردد. با توجه به این نکته، قابلیت جذب حرارت توسط مبرد در اواپراتور افزایش می ­یابد (طول خط ۷-۶ افزایش می ­یابد). مساحت نشان داده شده توسط نمودار فوق، بیانگر میزان کار منفی انجام شده توسط چیلر (برودت) می­ باشد. در حالتی که چیلر مجهز به بازیافت انرژی باشد خط ۲-۱ که مربوط به کار کمپرسور می­ باشد در حدود ۳ درصد کوتاه ­تر شده و به واسطه sub-cool شدن بیشتر مبرد، مساحت درون منحنی T-S که بیانگر برودت تولیدی توسط چیلر می ­باشد، در حدود ۴ درصد افزایش می­ یابد.

در نمودار زیر، خط ۲-۱ بیانگر کار ورودی به کمپرسور می ­باشد. با کوتاه­تر شدن این خط، کار مصرفی کمپرسور کاهش می­ یابد. مساحت داخلی منحنی بیانگر میزان انرژی خروجی از چیلر بوده که با افزایش مساحت مذکور، کار انجام شده توسط چیلر بر روی سیال و در نتیجه ظرفیت ماشین افزایش می ­یابد.