افزایش بازدهی سیستم سرمایش با بهره گیری از آرایش سری در چیلرها

مهندسان همیشه به دنبال طرح هایی برای کاهش مصرف انرژی سیستم های خنک کننده هستند. با اضافه کردن ویژگی هایی مانند یاتاقان های مغناطیسی، طراحی کمپرسورهای با بازدهی بالاتر و یا طراحی مبدل های حرارتی جدید به چیلرها، این دستگاه ها کارآمدتر شده اند. برای دستیابی به بازدهی بیشتر در کاربری هایی که چیلرهای امروزی نصب شده اند، باید از بیرون به چیلر نگاه کنید و فرصت هایی را در خارج از دستگاه پیدا کنید.
یکی از اصلاحاتی که می تواند در نظر گرفته شود، استفاده از استراتژی لوله کشی سری چیلرها با آرایش جریان مخالف i(SCF) است، ورود آب به اواپراتور و کندانسور چیلرها؛ در جهت مخالف می تواند منجر به بهبود راندمان کلی سیستم شود.

مزایایی استفاده از سیستم های SCF

در یک طرح معمولی با چیلرهای متعدد، چیلرها در یک طرح موازی قرار می گیرند که در آن چیلرها ظرفیت خنک کنندگی یکسانی دارند .(شکل1)
هر چیلر به یک برج خنک کننده اختصاصی همراه با دمای تنظیم آب سرد یکسان نیاز دارد. این طراحی به دلیل سادگی کنترل، چیدمان و پیکربندی چیلرها در سراسر صنعت رایج است.
بازدهی چیلر بر اساس مقدار توان الکتریکی (کیلووات) است که برای تولید برودت (تن تبرید) توسط چیلر مصرف می شود. مقدار کیلووات مصرفی ، هم بوسیله ی “درجه صعود وهم بار برودتی مورد نیاز (ظرفیت خنک کننده مورد نیاز) در چیلر تعیین می شود. “درجه صعود” در اصطلاح به میزان کاری اطلاق می شود که چیلر باید بر آن غلبه کند تا بتواند خنکی مورد نیاز را تامین کند. این شاخص در مقایسه با بار برودتی، تأثیر بسیار بیشتری بر بازدهی چیلر دارد. با در نظر گرفتن اختلاف بین دمای آب خروجی از کندانسور و دمای آب خروجی از اواپراتور می توان “درجه صعود” را محاسبه کرد. کاهش در درجه صعود به معنای صرفه جویی در بهره وری است.

استاندارد موجود برای ارزیابی کارکرد چیلر در شرایط متفاوت، توسط موسسه تهویه مطبوع، گرمایش وتبريد آمریکا (AHRI) تهیه و تنظیم شده است. شرایط استاندارد شامل جریان آب ورودی بادمای ۵۴ درجه فارنهایت به اواپراتور و آب خروجی ۴۴ درجه فارنهایت از اواپراتور می باشد.
همچنین طبق این استاندارد دمای آب ورودی به کندانسور ۸۵ درجه فارنهایت و دمای آب خروجی از آن 3/94 درجه فارنهایت توصیه شده است. برای سادگی محاسبات، در این مقاله از دمای ۹۵ درجه فارنهایت به جای 3/94 درجه فارنهایت استفاده می شود.
در مثال یک سیستم موازی چیلرها سیستم خنک کننده، ۱۰۰۰ تن تبرید با دمای آب سرد ۴۴ درجه فارنهایت در اختیار مصرف قرار می دهد. هنگامی که استراتژی چیلر های سری با جریان مخالف (SCF) اجرا شود، از همان دو چیلر ۵۰۰ تنی استفاده می شود اما لوله کشی ها بر اساس آرایش جدید تغییر می کند (شکل ۲).
در آرایش سری در چیلرها ، آب کندانسور وارد چیلر 1 (1-CH ) می شود و سپس مستقیما در همان جهت به سمت چیلر ۲ (2-CH ) می رود. اما برعکس این موضوع در سمت اواپراتور اتفاق می افتد:
در جهت مخالف جریان کندانسور؛ جریان آب در اواپراتور، از چیلر شماره ۲ به سمت چیلر شماره ۱ می رود. ایجاد جریان در جهت مخالف برای آرایش SCF، مساله ای کلیدی است زیرا لوله کشی جریان در یک جهت یکسان، باعث صرفه جویی در مصرف انرژی نمی شود. در عمل، چیلر شماره ۲ معمولا به دلیل گرمتر بودن آب خروجی از کندانسور نسبت به آب خروجی از کندانسور چیلر شماره ۱، چیلر سمت بالا یا داغ نامیده می شود. همچنین، چیلر شماره ۱ معمولا به دلیل سردتر بودن آب خروجی از اواپراتور نسبت به دمای آب سرد چیلر شماره ۲، چیلر سمت پایین یا سرد نامیده می شود.
در چیدمان SCF با کاهش “درجه صعود” در هر چیلر، باعث صرفه جویی در انرژی حاصل می شود.
با مقایسه عملکرد چیلر شماره ۱ در هر دو سناریو مشخص می گردد که “درجه صعود” در چیلر شماره 1، دیگر ۵۱ درجه فارنهایت نیست. در عوض، چیلر شماره ۱ اکنون دارای “درجه صعود” ۴۶ درجه فارنهایت است. اختلاف دمای آب خروجی از کندانسور و آب خروجی از اواپراتور برابر ۴۶ درجه فارنهایت می باشد:
(46=44-90)
اگر همین مقایسه را برای چیلر شماره ۲ انجام دهیم، بطور مشابه شاهد کاهش “درجه صعود” به مقدار ۴۶ درجه فارنهایت خواهیم بود (46=95-49). به طور کلی، با کاهش “درجه صعود” در هر چیلر در آرایش چیلرها با استراتژی SCF، در مجموع بازدهی چیلرها ۶ تا ۸ درصد نسبت به روش موازی کردن چیلرها، بیشتر می شود و در چند سال آینده صرفه جویی قابل توجهی را برای مالک به همراه خواهد داشت.

ملاحظات لوله کشی سیستم SCF

در استراتژی SCF، به دلیل عبور جریان از یک چیلر به چیلر دیگر و نحوه لوله کشی بین چیلرها، بزرگترین تغییر در طراحی فضای موتورخانه بوجود می آید. وقتی صحبت از لوله کشی چیلرها در یک پیکربندی سری با جریان مخالف (SCF) می شود، یعنی هیچ محدودیتی برای چیدمان چیلرها وجود ندارد. چیلرها می توانند در کنار یکدیگر، به صورت زیگزاگی یا در یک خط با یکدیگر قرار گیرند و دارای لوله مشترک باشند (شکل 3).

یکی دیگر از ملاحظات لوله کشی استفاده از افزایش تعداد پاس ها در اواپراتور یا کندانسور است. در آرایش موازی معمول است که هر چیلر به دلیل تامین اختلاف دمای ۱۰ درجه فارنهایت در سراسر مبدل حرارتی، یک تقسیم دو پاسی داشته باشد.
از آنجا که در آرایش سری سهم هر چیلر فقط ۵ درجه فارنهایت (در تامین اختلاف دما) می باشد، در آرایش چیلر های سری با جریان مخالف دیگر به یک مبدل دو پاسی نیازی نیست و معمولا از آرایش یک پاسی در SCF استفاده می شود.
مزیت مبدل تک پاس این است که به پمپ با توان کمتری در مقایسه با مبدل دو پاس نیاز دارد. یک مبدل یک پاس افت فشار کمتری نسبت به مبدل دو پاس برای دبی یکسان دارد.
برای مثال، برای چیلرهای موازی، افت فشار آب در هر چیلر برای مبدل اواپراتور 1/22 فوت آب و برای مبدل کندانسور 5/19 فوت آب است.
با این حال در استراتژی سری در چیلرها با استفاده از آرایش تک پاس، افت فشار در کل؛ نیز مشابه سیستم موازی خواهد بود نه در تک تک چیلرها. افت فشار كل SCF در اواپراتور و کندانسور 8/22 و 3/19 فوت آب است. هنگامی که نیاز به ∆T آب سرد بیشتری وجود دارد، می توان از آرایشهای لوله کشی دیگری استفاده کرد. هر طرفی باید به صورت جداگانه ارزیابی شود. اما به عنوان مثال، برای تامین اختلاف دمای ۲۰ درجه فارنهایت (۶۴-۴۴ درجه فارنهایت) استفاده از یک مبدل دو پاسی سودمندتر خواهد بود.
در نهایت، استفاده از شیرهای بای پس ، برای ایزوله کردن یک چیلر که به سرویس نیاز دارد، توصیه می شود. مسیر بای پس، یک مسیر اضافه را در اطراف مسیر جریان چیلر خاموش ، فراهم می کند بطوری که آب فقط از طریق دیگر چیلر که در حال بهره برداری است، عبور کند.

ملاحظات کنترل سیستم SCF

با اجرای استراتژی SCF در طراحی، توالی کنترل چیلر باید در سطوح مختلف ارزیابی شود. این شامل مرحله بندی کارکرد چیلرها در هنگام افزایش یا کاهش بار و همچنین کنترل دمای تنظیم برای هر چیلر است. اگر سیستم لوله کشی از سیستم پمپاژ اولیه – ثانویه استفاده می کند، کنترل ها کمی پیچیده تر می شوند.
در شکل ۲، شرایط طراحی ∆T در اواپراتور ۱۰ درجه فارنهایت (۵۴ درجه فارنهایت /۴۴ درجه فارنهایت) برای یک سیستم ۱۰۰۰ تنی با آرایش SCF است که در آن ظرفیت هر چیلر ۵۰۰ تن است.
این طراحی برای کارکرد در بار کامل و مطابق با سناریوی طراحی است، در حالیکه در شرایط بار جزیی، سیستم نیاز به کنترل دارد.
همانطور که توسط AHRI بیان شده است، کمتر از ۱ درصد از ساعات سال، هر چیلر در شرایط طراحی قرار می گیرد و در باقی ساعات، سیستم در شرایط بار جزیی است. سیستم اتوماسیون ساختمان iv یا BAS، باید بتواند با یک استراتژی کاربردی، چیلرها را در کاهش بار سیستم مدیریت کند.

شکل ۴ سیستمی را نشان می دهد که با ۵۰ درصد بار (۵۰۰ تن مورد نیاز سیستم در یک روز) کار می کند. هدف اصلی چیلر شماره ۱ در این شکل تولید آب سرد ۴۴ درجه فارنهایت است.
صرف نظر از بار، چیلر شماره ۱ به طور مداوم دمای تنظیم ۴۴ درجه فارنهایت را برآورده می کند زیرا این چیلر، چیلر سمت پایین است. نقطه تنظیم آب سرد جدید برای چیلر شماره ۲، 5/46 درجه فارنهایت در نقطه بارگذاری ۵۰ درصد روی سیستم است.
این تغییر در دمای تنظیم به این دلیل رخ می دهد که اختلاف دما (∆T) در هر دو چیلر باکم شدن بار، کاهش می یابد. BAS باید دمای تنظیم آب رفت جدید را با پایش دمای آب برگشت از سیستم و دمای آب خروجی چیلر شماره ۲ اصلاح کند. ( با کاهش دمای آب برگشتی، آب سرد خروجی از چیلر شماره ۲ نیز باید کاهش یابد.)
این را می توان به راحتی در سیستم BAS تنظیم کرد. یک رویکرد رایج این است که وقتی آب برگشتی به میزان ۱ درجه فارنهایت کاهش می یابد، دمای تنظیم آب سرد خروجی در چیلر شماره ۲ بایستی 5/0 درجه فارنهایت کاهش یابد.
اگر سیستم از روش پمپاژ جریان اولیه متغیر (VPF) استفاده می کند، کنترل چیلر ساده تر می شود. این سادگی به دلیل نرخ جریان متغیر در اواپراتور است که منجر به ثابت بودن ∆T در دو چیلر در آرایش SCF می شود.
با این کار، دمای تنظیم آب سرد خروجی در چیلر شماره ۲، روی نقطه تنظیم آب سرد ۴۹ درجه فارنهایت حفظ می شود. تنها زمانی نیاز به تغییر در نقطه تنظیم آب سرد در چیلر شماره ۲ می باشد که دبی آب در اواپراتور چیلرها به حداقل برسد.
بسته به بار سرمایی و “درجه صعود” مشاهده شده در چیلرها، ممکن است برای بهینه سازی سیستم بهتر باشد یکی از چیلرها خاموش شود. شکل ۲ یک سناریوی بار ۱۰۰ درصد را هنگام استفاده از سیستم جریان متغیر برای یک سیستم ۱۰۰۰ تنی با آرایش SCF نشان می دهد.

شکل ۵ همان سیستم SCF را در بار سیستم ۵۰ درصد نشان می دهد. لطفا توجه داشته باشید که سرعت جریان در حال تغییر است در حالی که ∆T در چیلرها ثابت می ماند (این به دلیل استفاده از پمپ های جریان متغیر است).

نتیجه گیری

آرایش لوله کشی سری در چیلرها و با جریان مخالف (SCF) یکی از استراتژی هایی است که می تواند برای کاهش مصرف انرژی و کاهش در میزان قبوض برق بکار گرفته شود.
با تغییر چیدمان لوله کشی و بکارگیری سیستم اتوماسیون ساختمان (BAS)، می توان ۶ تا ۸ درصد بازدهی را در خود چیلرها کاهش داد.

نویسنده: مهندس علیرضا حدادی

:Reference
– Process Cooling Magazine, January 14, 2021, Spencer Fuller, Johnson Controls