پیمانکار رتبه یک تاسیسات

خطوط انتقال – آشنایی با انواع روش های بازرسی خطوط انتقال هوایی فشار قوی
1397-09-07
موزه‌ ها – آشنایی با اهمیت طراحی و نگهداری سیستم های تهویه در موزه‌ ها
1397-09-10
Show all

چیلر بازیاب گرما – مقدمه ­ای از طراحی سیستم آب و کنترل چیلر بازیاب گرما

 چیلر بازیاب گرما

گردآورند: فریبا فرّجی
آذر ماه 97

چیلر بازیاب گرما

٫۱مقدمه

مسائل مشخصه و اصلی سیستم آب بازیاب گرما توضیح داده­ شدند، کنترل دمای آب ورودی به کندانسور برای کارایی بالاتر چیلر و عملکرد معتبر آن توصیه ­شده ­است. سه طرح بهینه ­سازی ­شده سیستم آب برای بازیابی بیشتر گرما یا دمای بالاتر گرم­ کردن آب ارائه­ شدند.استفاده از بازیابی گرمای چیلرهای ­آب­ سرد می ­تواند کاهش چشمگیری در هزینه انرژی عملیاتی بسیاری از ساختمان ها ایجادکند زیرا از گرمایی استفاده می­ کند که به طور نرمال توسط برج­ های سردکننده به اتمسفر پس ­فرستاده ­می­ شود. مصارف عمده این گرما عبارتند ازگرم­ کردن منطقه پیرامون، گرم ­کردن مجدد سیستم ­های تهویه هوا، و هر نوع نیاز به آب­گرم. هر ساختمان با بار گرم­ و سرد همزمان یک کاندید بالقوه محسوب می­ شود، مثل هتل­ ها، ساختمان­ های اداری، بیمارستان­ ها، مدارس، و غیره.

٫۲روش های بازیابی گرما

دو نوع روش بازیابی گرما وجود دارد، در اولی از یک تبادلگر گرما استفاده می ­شود و در دیگری از یک کندانسور اضافی استفاده می ­شود.

شکل۱ یک روش را نشان می­ دهد که از یک مبدل حرارتی در بیرون از کندانسور آب ­سرد استفاده می ­کند. به جای خروج گرما به برج­ خنک کننده، گرما از آب کندانسور بازیابی می ­شود. معمولاً، به دلیل انتقال گرمای اضافی توسط مبدل حراتی، دمای آب گرم پایین است.

چیلر بازیاب گرماشکل۱: کاربرد مبدل حرارتی در بازیاب گرما

در روش بعدی، این بازیابی گرما می­تواند مستقیماً از کولر داغ در مسیر کولر با استفاده از یک دسته کندانسور اضافی که موازی با کندانسور اصلی لوله ­کشی شده ­است، انجام گیرد (به شکل۲ مراجعه کنید). مسیر سرمایش و مسیر گرمایش از هم جدا هستند، درنتیجه آلودگی و مخلوط ­شدن عرضی رخ نمی ­دهد.

چیلر بازیاب گرماشکل۲: کاربرد یک کندانسور اضلفی در بازیاب گرما

٫۳خصوصیات یک چیلر بازیاب گرما

 چیلر بازیاب گرما باید دمای بالایی را در آب باقیمانده در کندانسور ایجاد کند، بنابراین راندمان انرژی موتور که تنها وظیفه سرمایش را دارد تکرار نخواهد شد. شکل۳ چرخه­ های کار معمولی یک موتور سرمایش و یک موتور بازیاب گرما را نشان می­ دهد.

تفاوت­هایی که بیشتر ازهمه قابل ذکر هستند عبارتند از:

  • اختلاف فشاری که توسط کمپرسور ایجاد می ­شود در چرخه بازیاب گرما بسیار بیشتر است.
  • مقدارگرمایی که از کندانسور بازیاب گرما آزاد می­ شود بیشتر از مقداری است که در عملیات سرمایش وارد می­ شود.
  • موتور بازیاب گرما درطول عملیات بازیابی گرما راندمان انرژی کمتری دارد، زیرا اختلاف فشار بالاتری دارد و تاثیر خنک­سازی کمتر است، به این معنا است که کمپرسور باید گاز بیشتری را به ازای هر تن سردکنندگی پمپ کند.

چیلر بازیاب گرماشکل۳: اختلاف فشار سردکنندگی

٫۴اهمیت اصلی بازیابی گرما

۴٫۱٫ حداکثر مقدار بازیابی گرما

در تئوری، مقدار گرما  برابر مجموع  بار سرمایش و قدرت کمپرسور می باشد. حداکثر مقدار بازیابی گرما می­تواند برای برخی چیلرهای سانتریوفوژی با استفاده از یک کندانسور اضافی به ۱۰۰ درصد ظرفیت سرمایش برسد. وقتی ظرفیت سرمایش در عمل به نصف بار کاهش میابد و مقدار گرما هم کم می­ شود.

۴٫۲٫ بالاترین دمای گرم­ شدن آب

بعلت اینکه چیلر بازیاب گرما، حرارت  اواپراتور را از بار سرمایش  به کندانسور جابجا می­ کند، و گرمای خروجی از کندانسور به برج­ خنک کن را بازیابی می­ کند، اولویت اصلی سرمایش است، پس بدون سرمایش امکان بازیابی گرما وجود ندارد. هرچقدر دمای آب گرم­کن بالاتر باشد، راندمان و ظرفیت سرمایش کمتر است، حتی ممکن است چیلر به صورت ناپایدار کارکند و متلاشی شود.  ۴۸-۴۳ درجه­ سانتیگراد دمای آب گرم­ برای چیلرهای سانتریوفوژی بازیاب گرما امکانپذیر است، و اگر دمای آب گرم بالاتری لازم باشد باید از یک منبع گرمای کمکی استفاده شود.

۴٫۳٫ دمای آب گرم­ کن و کنترل آن

همواره بهتر است از کمترین دمای آب گرم­ که کاربرد دارد استفاده­ شود. معمولاً در طراحی­ های دمای آب گرم­کن، به ازای  افزایش ۵٫۶ درجه­ای آب، مصرف بار بازیاب گرما ۱۴-۷درصد افزایش پیدا می­کند.

در اکثر موارد، کنترل دمای آب گرم­کن باید طوری طراحی­ شود که دمای آب گرم­کن بازگشتی ثابت­ حفظ ­شود. با ایجاد امکان شناوری تامین دمای آب گرم­کن، میانگین دمای آب سیستم کاهش پیدا می­ کند زیرا بار چیلر کمتر می­ شود و گرمای کمتری به کندانسور فرستاده می شود (به شکل۴ نگاه کنید). همانطوری که میانگین دمای آب کاهش میابد، دما و فشار آب سرد آنقدر فرق می­کند که کمپرسور باید بار نصفه تولیدکند.

وقتی تامین دمای آب­گرم­کن به سیستم ساختمان ثابت نگه­داشته می ­شود و  دمای آب گرم بازگشتی به کندانسور شناور(نوسان ­دار) می­ شود، میانگین دمای آب گرم­کن عملاً بالا می­رود، زیرا بار چیلر کاهش میابد و گرمای کمتری به کندانسور فرستاده می­ شود. همانطوری که در شکل۴ می­ بینیم، وقتی بار کمپرسور خالی می­ شود، اختلاف فشاری که باید باشد تا جلوی جریان اشفته را بگیرد اساساً ثابت باقی می ­ماند، ولی قابلیت و ظرفیت کار کمپرسور کاهش پیدا می ­کند. بنابراین، ظرفیت واحد برای خالی­ کردن بار بدون استفاده از بای­پَس گاز داغ هم کاهش پیدا می­ کند.

چیلر بازیاب گرماشکل۴: کنترل دمای آب گرم کن

  1. کاربرد ۲ کندانسور در عملیات بازیابی گرما

۵٫۱٫ قوانین عملیات

بازیابی گرما  در چیلر بازیاب گرما اغلب­ با استفاده از دو کندانسور انجام می­ شود و این حقیقت که بخار سردکن داغ به نواحی با پایین­ترین دما حرکت میکند، صدق می­کند. افزایش دمای آب  سردکن در کندانسور استاندارد موجب می­ شود بجای کندانسور دوم، سردکن جریان پیدا کند، دراینجا گرمای خود را به جریان آبی که از لوله ­ها رد می­شود می­فرستد. با تغییر دادن دما یا شدت جریان آب برج­ سردکن می­توان دمای آب در کندانسور استاندارد را کنترل کرد.

۵٫۲٫ کنترل عملیات

شکل۵ کنترل یک شکل­ فضایی یک چیلر دو دسته­ ای را نشان می­ دهد که در آن لوپ گرم­کن از لوپ برج­ سردکن جداست و تنها به کنترل­ های ساده­ قابل­ فهم نیازدارد تا دمای آب ورودی به کندانسور (T2) ثابت نگه­داشته­ شود.

چیلر بازیاب گرما

شکل۵: دیاگرام کنترل دو کندانسور

اگر بار گرم­کن وجود نداشته­ باشد، پمپ چیلر بازیاب گرما خاموش می­ شود و همه گرما به برج­ خنک کن فرستاده می­ شود.

وقتی یک بار گرم­کن شروع می­ شود، پمپ آب کندانسور بازیاب گرما کار می­ کند، جریان آب به کندانسور بازیاب گرما فرستاده می­ شود.

همانطوری که دمای آب ورودی به کندانسور بازیاب گرما (T2) بالا می­رود و پمپ آب کندانسور شروع به کار می­ کند، شیر (V2) بسته می ­شود و فَن ­های برج­ خنک کن وضعیت را تعدیل می­ کند. به این ترتیب گرما به برج خنک کن فرستاده می­ شود و دمای آب ورودی به کندانسور بازیاب گرما پایین می­آید.

درمقابل، همانطوری که دمای آب ورودی به کندانسور بازیاب گرما (T2) پایین می­ آید، فَن­ های برج­ سردکن تنظیم می­ شوند و شیر (V2) باز می­ شوند. همه گرما به حلقه گرم­کن فرستاده می­ شود. درنهایت، پمپ آب کندانسور خاموش می­ شود.

  1. طراحی بهینه سیستم برای بازیابی بیتشر گرما

۶٫۱ اولیه – ثانویه

بسیاری از سیستم­ های آب­سرد در چیدمان سنتی اولیه-ثانویه شکل­ گیری شدند (شکل۶).  ممکن است برای انجام عملیات بازیاب گرما این کار مطلوب نباشد. دلیل ساده این است که همه چیلرهای فعال با درصدهای برابر بارگیری می­ شوند. مقدار بازیابی گرما که در دسترس است بسته به بارگیری چیلر محدودیت دارد. برای بار ساختمانی یکسان، بار روی هر چیلر می­ تواند به حدکافی متفاوت باشد و به پیکربندی سیستم آبسردشده بستگی دارد.

چیلر بازیاب گرماشکل۶: اولیه-ثانویه

۶٫۲٫ بارگیری ترجیحی

وقتی یک چیلر روی سمت بار مسیر بای­پس قراردارد، ترجیحاً بارگیری می­ شود، زیرا همیشه گرم­ترین دمای آب برگشتی را دریافت می­ کند . بنابراین، موقع عملیات، بالاترین گرمای ممکن را می­ فرستد. یک چیلر که در این جا لوله­ کشی­ شده­ است ضمناً به شدت جریان دستگاه چیلر اضافه می­ شود و دمای آب برگشتی به سایر چیلرها را کم نمی ­کند. اگر دمای آب تامین سیستم ثابت نگه­داشته­ شود، چیلر می­ تواند بیشتر از مقدار گرمایی که توسط بار گرم­کن قابل استفاده­ است را بفرستد.

اگر چندین چیلر بازیاب گرما استفاده ­شوند، یکی از چیلرهای بازیاب گرما می­تواند خاموش نگه­داشته­ شود تا زمانی که لازم باشد چیلر دوم بار سردکن را برآورده­ کند. در این وضعیت، وقتی چیلربازیاب گرما فعال­ شد، به ­حدکامل بارگیری شده و می­تواند دمای آب گرم­کن در تامین طراحی ­شده را فراهم کند. این امر شدیداً کنترل سیستم را ساده می­ کند و یک چیلر سانتریوفوژی را بیرون از منطقه ­ای نگه­ می­دارد که ممکن است در آنجا تلاطم جریان وجود داشته ­باشد.

۶٫۳٫ جریان جانبی

یک چیلر که در یک موقعیت جریان­ جانبی نصب­ شده ­است، می­ تواند با تغییردادن نقطه­ تنظیم آب سردشده با هر وضعیت بار بارگیری شود. چیلرهایی که موازی هم نصب­ شدند شدت جریان بیشتری نسبت به آن­هایی دارند که در وضعیت اولیه-ثانویه سنتی نصب­ شدند، زیرا پمپ جریان­ جانبی کمکی نمی ­کند سیستم نیازهای جریان هوای سردشده را برآورده­ کند. این بخاطر آن است که چیلر جریان­ جانبی ازقبل آب را سرد می­ کند و این چیلرها دمای آب ورودی کمتری نسبت به دمای آبی دارند که از بار سرمایش می­اید.

یک مزیت موقعیت جریان­ جانبی این است که الزامی نیست چیلر در این جایگاه دمای آب-تامین سیستم طراحی­ شده را تولیدکند. این می­تواند هر دمای آبی که لازم است را تولیدکند تا دقیقاً بار گرم­کن موردنیاز برآورده­ شود. به این ترتیب امکان آن وجوددارد که در دمای بالاتر آب سردشده فرایند سرمایش ایجاد شود و درنتیجه عملیات موثرتر باشد. به علت این که چیلر بازیاب گرما طوری کنترل می ­شود تا تنها مقدار گرمای مورد نیاز را تولیدکند، ممکن است نیازی نباشد این چیلر به یک برج­سردکن وصل شود. به این ترتیب می­توان از یک چیلر تک­کندانسوری استفاده کرد بدون آنکه لازم باشد از تبادلگر گرمای جداگانه ­ای استفاده گردد.

۶٫۴٫ مقایسه سه طراحی سیستم

بار سردکن ساختمان ۱۹۳۴ kW و بار گرم­کن ۵۸۵ kW است، با استفاده از یک چیلر تنها سردکن ۱۷۵۸kW و یک چیلر بازیاب گرما ۷۰۳kW، دمای آب سرد طراحی­ شده ورودی و خروجی به ترتیب ۱۳٫۳ و ۴٫۴ درجه سانتیگراد است.

گرمای فرعی منفی موردنیاز نشان می­دهد که چیلر بازیاب گرما با ظرفیت بیشتری نسبت به آن چیزی که برای برآورده­ کردن بار گرم­کن لازم است کار می ­کند. در مقایسه با پیکربندی اولیه-ثانویه این الزاماً یک عیب نیست، زیرا این گرما باید فرستاده ­شود چه از یک چیلر تنها­ سردکن بیاید چه از چیلر بازیاب گرما بیاید.

٫۷طراحی سیستم برای دمای آب بالاتر

دو چیلر درحالت پشت ­سرهم باهم هم پوشانی دارند، گرمای بار سردکنی که از اولین مرحله­ ی آب کندانسور چیلر تا برج­ خنک کن فرستاده می­ شود بازیابی می­ شود، سپس برای دمای بالاتر آب گرم­کن تا ۵۷ درجه این گرما توسط چیلر مرحله دوم به بار گرمایش تحویل ­داده­ می ­شود. درضمن، نیروی کمپرسور به کندانسور چیلر اضافه می­ شود.

گرمایی که از بار سردکن می­اید به وسیله حلقه مسیر آب زیر به بار گرم­کن تحویل داده می­ شود: برج­ سردکن، کندنسور چیلر مرحله اول، اواپراتور چیلر مرحله دوم، برج­ خنک کن. اگر بار گرمایش نتواند با بار سرمایش مطابقت کند، برج­ سردکن هر نوع اضافه­ بار گرما را به اتمسفر می فرستد.

بعلت اینکه وضعیت عملیاتی چیلر مرحله دوم با چیلرهای سنتی فرق می­ کند، لازم است تغییرداده ­شوند تا به صورت پایدار کارکنند.

٫۸نتیجه­ گیری

در چیلر بازیاب گرما ، بازیابی گرما توسط دو کندانسور باعث می­ شود درمقایسه با استفاده از یک بدل حرارتی، دمای آب بالاتری تولید شود. چیلر بازیاب­ گرما می­تواند با کارایی کمتر از آنی که در مورد تنهاسردکن کار می ­کنند گرمای بیشتری را تولیدکنند. سه مسئله اصلی بازیابی گرما عبارتند از: حداکثر مقدار گرما، بالاترین دمای آب­گرم­کن، و روش کنترل عملیات. دمای آب ورودی به کندانسور باید کنترل شود تا راندمان چیلر بالا برود و عملیات معتبرتر صورت بگیرد. سه طراحی سیستم بازیابی گرما عبارتند از: بارگیری ترجیحی و جریان­ جانبی برای بازیابی بیشتر گرما، دو چیلر هم پوشان پشت­ سرهم برای دمای آب بالاتر.

منبع:

Introduction of Heat Recovery Chiller Control and Water System Design