سیستم های کنترل ظرفیت چیلر تراکمی

        ظرفیت سیستم های حرارتی و برودتی برای جبران تلفات بار در بدترین شرایط محاسبه انتخاب و طراحی می شود. تلفات حرارتی در طی یک شبانه روز، و روز های مختلف سال، برای ساعات مختلف متفاوت است. از این رو در ساعات مختلف شبانه روز، و روز های مختلف سال ظرفیت سیستم تغییر می کند. در این مقاله به روش های کنترل ظرفیت در سیستم های تبرید می پردازیم. کنترل ظرفیت و روش های آن از موارد مهم و حیاتی یک سیکل تبرید اصولی است. کنترل ظرفیت صحیح به جلوگیری از هدر رفت انرژی کمک می کند. تمرکز این مقاله، کنترل ظرفیت کمپرسور در سیستم های برودتی می باشد. البته در این مقاله به کنترل ظرفیت سیستم های جذبی نیز اشاره ای مختصر می شود. 

کنترل ظرفیت سیستم های برودتی 

       طراح سیستم های برودتی همیشه یک ضریب اطمینان برای سیستم در نظر می گیرد. معمولا طراحان ظرفیت سیستم را چند درصد بیشتر از ساعت پیک بار در گرم ترین روز سال محاسبه می کنند. در بار های جزئی سیکل تبرید، ما به تمام توان سیستم نیاز نداریم. روش های مختلفی جهت کنترل ظرفیت سیستم های برودتی پیش بینی شده است. طراحان و سازندگان مختلف ممکن است بنا به شرایط از یک یا چند روش کنترل ظرفیت استفاده کنند.

       روش های گوناگونی در کنترل ظرفیت چیلر و سیستم های برودتی استفاده می شود. روش های کنترل ظرفیت سیستم های برودتی بستگی به نوع دستگاه و سیستم دارد.استفاده از کمپرسور های بیشتر و به کار گیری آن ها به صورت موازی یکی از این روش ها است. کنترل ظرفیت با کنترل روشن و خاموش شدن تعداد کمپرسور و همچنین استفاده از چیلر های ماژولار از انواع دیگر روش های کنترل ظرفیت چیلر هستند. کمپرسور های دیجیتال اسکرال، بای پس گاز داغ، آنلودر سیلندر و استفاده از درایو های دور متغیر از انواع دیگر این روش ها می باشند.

لزوم کنترل ظرفیت کمپرسور

       ظرفیت کمپرسور با حجم مبرد تبخیر شده ای که می تواند در یک بازه زمانی معین فشرده کند، تعریف می شود. چرا کمپرسور به روشی برای کنترل ظرفیت نیاز دارد؟در پاسخ به این سوال می توان گفت برای اینکه بتواند با بار در حال تغییر سیستم مطابقت و سازگاری کامل داشته باشد. خاموش و روشن شدن بیش از حد کمپرسور، برای کنترل ظرفیت چیلر موجب آسیب به کمپرسور می شود. این عمل می تواند خسارات فراوانی به بار بیاورد. معمولا تولید کنندگان کمپرسور، میزان خاموش و روشن شدن مجاز یک کمپرسور در ساعت را بیان می کنند. 

کنترل ظرفیت کمپرسور رفت و برگشتی

       کنترل ظرفیت کمپرسور سیلندر پیستونی برای اکثر کمپرسور های بزرگ صورت می گیرد. معمولا عمده کمپرسور های بالای 10 تن یا 35 کیلووات مجهز به آنلودر هستند. برای کنترل ظرفیت کمپرسور رفت و برگشتی روش های مختلفی وجود دارد. هر سیستم را بنا به تناسب نوع کمپرسور و ساختار اصلی قسمت های مکانیکی آن به یکی از روش های زیر کنترل ظرفیت می کنند:

• استفاده از درایو های دور متغیر: در این روش از تغییر سرعت و دور کمپرسور جهت کنترل ظرفیت استفاده می شود. در موتورهای الکتریکی با تغییر فرکانس، دور موتور تغییر می کند. از این روش به منظور کنترل ظرفیت کمپرسور استفاده می شود. جهت کنترل ظرفیت کمپرسور های رفت و برگشتی به این شیوه، از درایو های فرکانس متغیر (VFD) استفاده می شود.

• استفاده از شیر برقی بای پس دیسشارژ: در کمپرسور هایی که دارای چندین سیلندر هستند کنترل ظرفیت کمپرسور با بی بار کردن سیلندر کمپرسور انجام می شود. در این روش دو تا و یا چند سیلندر از سیلندر های کمپرسور بی بار می شوند. بی باری سیلندر کمپرسور به روش های مختلفی انجام می شود. بای پس گاز دیسشارژ سیلندر به قسمت مکش یکی از این روش ها است. فرض کنیم دمای هوا و یا آب عبوری از اواپراتور کاهش می یابد. در این زمان ترموستات چند مرحله ای سیگنالی را به شیر برقی مدار بای پس گاز داغ می فرستد. این فرمان موجب باز شدن مسیر عبور گاز سیلندر به قسمت مکش می گردد. در برخی از کمپرسور ها بای پس گاز داغ در سر سیلندر انجام می شود. 

• باز نگه داشتن هیدرولیکی سوپاپ مکش: روش دیگری که برای کنترل ظرفیت کمپرسور رفت و برگشتی استفاده می شود، باز نگه داشتن سوپاپ مکش کمپرسور است. در این روش سوپاپ دو یا چند سیلندر از کمپرسور به صورت هیدرولیکی باز نگه داشته می شود. این عمل با استفاده از فشار پمپ روغن انجام می شود. در این نوع کنترل ظرفیت کمپرسور، از خروجی پمپ روغن یک لوله به بی بار کننده (آنلودر کمپرسور) متصل است. در این مسیر یک شیر برقی معمولا بسته (NC) قرار دارد. وقتی دمای هوا یا آب عبوری از کویل اواپراتور کاهش پیدا کند ترموستات آب یا هوای برگشتی به شیر برقی فرمان می دهد. با فرمان ترموستات، شیر برقی مسیر روغن را باز کرده و فشار روغن به زیر سوپاپ های مکش کمپرسور منتقل می شود. این کار در آنلودر کمپرسور سیلندر پیستونی، سوپاپ مکش را باز نگه می دارد. با باز شدن سوپاپ مکش، گاز مبرد مکیده شده به داخل سیلندر در مرحله تراکم متراکم نمی شود. در این مرحله گاز مبرد به قسمت مکش کمپرسور بر می گردد. به طور مثال این روش در بعضی از کمپرسور های رفت و برگشتی ویتلر به کار می رفت.

• باز نگه داشتن نیوماتیکی سوپاپ مکش: یکی دیگر از روش های باز نگه داشتن سوپاپ مکش کمپرسور رفت و برگشتی، استفاده از گاز مبرد می باشد. در این روش بی باری کمپرسور، با استفاده از گاز خروجی از کمپرسور، سوپاپ مکش بی بار می شود. مشابه روش قبل، در این روش نیز ترموستات فرمان باز شدن یک شیر برقی را می دهد. با باز شدن شیر برقی در آنلودر کمپرسور رفت و برگشتی، فشار گاز خروجی از کمپرسور، به پشت پیستون آنلودر وارد می شود. با حرکت این پیستون، سوپاپ مکش باز شده و کمپرسور عمل تراکم را انجام نمی دهد. پس از قطع شدن شیر برقی هر سیلندر، کمپرسور مجددا به حالت عادی باز می گردد.

• بستن راه ورود گاز به سیلندر: در این روش با استفاده از یک کنترل کننده، زمانی که دمای آب یا هوای عبوری از اواپراتور، کاهش می یابد یک سیگنال به سمت شیر برقی فرستاده می شود. با این فرمان به شیر برقی، شیر برقی آنلودر کمپرسور باز می شود. با باز شدن شیر برقی آنلودر، مسیر گاز خروجی کمپرسور به سمت یک پیستون باز می شود. با فشار گاز دیسشارژ پیستون مسیر ورودی گاز سیلندر را می بندد. در این حالت، با حرکت پیستون داخل سیلندر، چون گاز ورودی وجود ندارد، تراکم در سیلندر انجام نمی شود. 

• استفاده از چند کمپرسور موازی: یکی از روش های مرسوم کنترل ظرفیت در سیستم های برودتی، استفاده از چند کمپرسور موازی می باشد. این روش در مورد بی باری کمپرسور سیلندر پیستونی نیز صدق می کند. در این روش یک کنترلر چند مرحله ای، بنا به بار برودتی دستگاه دستور روشن و خاموش شدن کمپرسور ها را می دهد. در گذشته از کنترل فشار کم یز به این منظور استفاده می شد. به این صورت که فشار قطع در لو پرشر سوئیچ برای هر کمپرسور متفاوت تنظیم می شود. به این صورت، با کاهش دمای اواپراتور، فشار مکش هم کم می شود. در هر مرحله کاهش فشار، یک کمپرسور از مدار خارج می شود. مسلما با افزایش بار برودتی و افزایش فشار اواپراتور نیز کمپرسور ها یکی یکی وارد مدار می شوند. 

       هر یک از روش های بی باری کمپرسور سیلندر پیستونی دارای مزایا و معایب خاص خود است. به طور مثال در روش بای پس گاز خروجی، دمای گاز ورودی به کمپرسور افزایش پیدا می کند. به این خاطر دمای سیم پیچ بالا می رود. روش های بی باری سیلندر در کمپرسور ها، آنلودینگ نیز خوانده می شوند.

مثال کنترل ظرفیت کمپرسور سیلندر پیستونی 

       یک کمپرسور 35 تن نامی یا 105 کیلووات 6 سیلندر را در نظر بگیرید. سیلندر های این کمپرسور به صورت دوتایی در پاسخ به تغییرات بار کنترل می شوند. کنترل ظرفیت در این کمپرسور توسط آنلودر سیلندر انجام می شود. به این طریق این کمپرسور می تواند با هر شش سیلندر، با چهار سیلندر و یا با تنها دو سیلندر کار کند.

آنلودینگ کمپرسور

       مطابق شکل در نقطه A کمپرسور با تمام ظرفیت و دمای ساکشن 7.2 درجه سانتی گراد در حال کار است. با کاهش بار برودتی سیستم، دمای ساکشن به حدود 4.5 درجه سانتی گراد در نقطه B کاهش می یابد. به واسطه آنلودر سیلندر در کمپرسور، دو سینلدر بی بار می شوند. اکنون کمپرسور با ظرفیت 19 تن تبرید یا 109 کیلووات کار می کند. (نقطه C). با کاهش بیشتر دمای اواپراتور، ظرفیت و دمای ساکشن تا نقطه D کاهش می یابد. کنترل دستگاه، دستور آنلودینگ دو سیلندر دیگر را صادر می کند. اکنون در نقطه E کمپرسور تنها با دو سیلندر و ظرفیت 9.5 تن یا 33.4 کیلووات کار می کند. با کارکرد بیشتر کمپرسور دمای ساکشن به کمترین حد تنظیم شده در نقطه F می رسد (2.2- سانتی گراد). در این نقطه کمپرسور خاموش می شود. 

       کمترین ظرفیت کمپرسور در مثال بالا، 7 تن تبرید معادل 24.6 کیلولوات می باشد. کمپرسور ذکر شده در مثال بالا می تواند در بازه 7 تا 31 تن تبرید کار کند. 

کارکرد متناوب کمپرسور در کنترل ظرفیت کمپرسور رفت و برگشتی

       نمودار کنترل ظرفیت در سیستم هایی که برای کاربری تهویه مطبوع ساخته می شوند اندکی متفاوت است. در این سیستم ها عمدتا بار برودتی در فواصل زمانی مختلف به صورت جزئی تغییر می کند. در این مثال با کمپرسور 31 تن تبرید مشابه مثال قبل، فرض کنید بار سیستم حدود 25 تن تبرید است. این کمپرسور با کارکرد 6 سیلندر در کمترین حالت 28 تن تبرید، و با کارکرد 4 سیلندر در بیشترین حالت 22 تن تبرید را تامین می کند. بنابر این کمپرسور بار دقیق برودتی را نمی تواند تامین کند. در این این شرایط، آنلودر کمپرسور به شرح زیر عمل می کند.

       در پاسخ به بار برودتی، ابتدا کمپرسور با تمام ظرفیت و شش سیلندر کار می کند. با کارکرد کمپرسور با ظرفی 31 تن تبرید، دمای اواپراتور کاهش می یابد. دمای اواپراتو تا حد 4.4 درجه سانتی گراد در نقطه B کاهش می یابد. اکنون آنلودر کمپرسور با فرمان از کنترلر دستگاه، دو سیلندر را بی بار می کند(نقطه C). اکنون ظرفیت کمپرسور به 19 تن یا 66.8 کیلووات کاهش پیدا کرده است. در نتیجه این کاهش ظرفیت برودتی دستگاه، دمای ساکشن مجددا افزایش می یابد.  دمای ساکشن به حدود 7.2 درجه سانتی گراد در نقطه D می رسد. در این نقطه کمپرسور 22 تن تبرید را تامین می کند. افزایش دمای ساکشن موجب غیر فعال شدن آنلودر سیلندر های  5 و 6 کمپرسور می شود. اکنون مجددا کمپرسور در ظرفیت 31 تن کار می کند. 

       تناوب بین مراحل بارگذاری و آنلودینگ در شرایط عادی به کمپرسور آسیبی نمی رساند. تنها در یک زمان است که کمپرسور آسیب می بیند. آن هم وقتی است که بار برودتی بین خاموش شدن و روشن بودن با دو سیلندر تامین می شود. معمولا کمپرسور های سایز بالا، در روشن و خاموش شدن زیاد، آسیب مکانیکی می بینند.

کنترل ظرفیت در کمپرسور گریز از مرکز (سانتریفیوژ) 

       کمپرسور های سانتریفیوژ نیز از سیستم های آنلودر کمپرسور بهره می برند. فرایند های بی باری کمپرسور سانتریفیوژ  اندکی متفاوت اند. معمولا از دو روش جهت بی باری کمپرسوسر سانتریفیوز استفاده می شود. این دو روش عبارتند از: 

• تغییر سرعت روتور کمپرسور: سرعت روتور در کمپرسور های سانتریفیوژ به روش های مختلفی تغییر می کند.  سرعت روتور را می توان با کلاچ های مغناتیسی یا هیدرولیکی که بین محرک و گیربکس نصب می شوند، تغییر داد. این روش معمولا برای کمپرسور های سانتریفیوژی که از توربین گاز به عنوان محرک استفاده می کنند به کار می رود. به طور مثال با کاهش 12 درصدی سرعت روتور، ظرفیت کمپرسور تا 50 درصد کاهش پیدا می کند. 

• کنترل فرکانس موتور کمپرسور: در این روش با استفاده از درایور های تغییر فرکانس(VFD) دور موتور تغییر می کند. تغییرات دور موتور همانطور که گفته شد موجب کنترل ظرفیت کمپرسور سانتریفیوژ می شود. 

• استفاده از پره های متحرک ورودی (Guide vane): یکی دیگر از روش های مرسوم کنترل ظرفیت کمپرسور سانتریفیوژ استفاده از پره های متحرک در ورودی کمپرسور است. در این روش با تغییر جهت جریان مبرد و کاهش دبی مبرد ورودی، کنترل ظرفیت کمپرسور صورت می گیرد. تغییر جهت جریان گاز ورودی، موجب ایجاد جریان های توربولانس می شود. با بسته شدن پره های ورودی و افزایش توربولانس، تغییر ظرفیت کمپرسور انجام می شود. تغییر زاویه این پره ها توسط یک موتور متصل به لینکیج صورت می گیرد. این موتور با فنر برگشت، در صورت خاموش شدن کمپرسور، پره ها را به حالت بسته قرار می دهد. در این حالت در هنگام استارت کمپرسور، کمپرسور بدون بار راه اندازی می شود. 

تشریح کنترل ظرفیت کمپرسور سانتریفیوژ 

       همانطور که در تصویر مشاهده می کنید، فرض کنید بار برودتی سیستم ابتدا در نقطه A قرار دارد. در  این حالت، زاویه پره ها ورودی به کمپرسور 90 درجه است. اکنون دمای ساکشن و ظرفیت سیستم تا نقطه B کاهش می یابد. جهت کنترل ظرفیت، زاویه پره های ورودی به کمپرسور به صورت مرحله ای کم می شود. بعد از آن تا دمای تنظیم شده دستگاه، کاهش ظرفیت کمپرسور صورت می گیرد. در انتخاب زوایا و اختلاف فشار، همانطور که در تصویر پیداست، باید به منطقه سرج توجه ویژه ای کرد. ورود شرایط کارکرد کمپرسور به منطقه سرج، موجب واماندگی و از کار افتادن کمپرسور می شود. 

کنترل ظرفیت کمپرسور اسکرو

       کنترل ظرفیت کمپرسور اسکرو معمولا توسط یک شیر لغزان (slide valve) صورت می گیرد. در بسیاری از کمپرسور های اسکرو یک شیر کشویی لغزان یا اسلایدینگ ولو قرار دارد. این شیر کشویی توسط یک پیستون هیدرولیکی که روی کمپرسور نصب شده است، عمل می کند. پیستون به وسیله روغن کمپرسور، با فشار پمپ روغن، جابه جا می شود. در حالت کارکرد کمپرسور با تمام ظرفیت، شیر لغزان بسته است. با کاهش بار برودتی، شیر لغزان به سمت باز شدن حرکت می کند. قرار گیری شیر لغزان در نقاطی که به سمت باز شدن شیر می روند، موجب بای پس شدن گاز مبرد می شود. در این حالت شیر لغزان اجازه نمی دهد که گاز، تمام مسیر روتور های کمپرسور اسکرو را طی کند.

       کنترل ظرفیت کمپرسور اسکرو معمولا به صورت پله های 1/4 انجام می شود. در این صورت از چهار شیر برقی که هر کدام 25 درصد ظرفیت را کنترل می کنند، استفاده می شود. در برخی از مدل ها از دو شیر برقی جهت کنترل ظرفیت کمپرسور اسکرو استفاده می شود. در این کمپرسور ها، منطق کنترل ظرفیت کمپرسور اسکرو، غیر پله ای می باشد.

      در برنامه ریزی منطق برقی و کنترل ظرفیت کمپرسور اسکرو مواردی را باید در نظر گرفت. مثلا باید توجه داشت که کارکرد طولانی مدت کمپرسور اسکرو در حالت 25 یا 33 درصد بار، توصیه نمی شود. در حقیقت استفاده از اسلاید ولو در بار های جزئی در مدت طولانی، موجب آسیب به کمپرسور می شود.

       در کمپرسور های اسکرو، در هنگام راه اندازی کمپرسور شیر لغزان در حالت باز قرار می گیرد. در این حالت با کاهش ظرفیت کمپرسور در استارت، آمپر استارت کمپرسور کاهش می یابد.

کنترل ظرفیت کمپرسور اسکرال

در کنترل ظرفیت کمپرسور اسکرال معمولا به سه روش صورت می پذیرد:

• تغییر دور با استفاده از درایو: در برخی از کمپرسور های اسکرال، از درایو های تغییر دور موتور، جهت کنترل ظرفیت کمپرسور اسکرال انجام می شود. در این موارد سرعت چرخش روتور کمپرسور های اسکرال با تغییر ظرفیت کمپرسور، تغییر می کند. این روش کنترل ظرفیت کمپرسور اسکرال، موجب کاهش مصرف انرژی، افزایش بهره وری و عملکرد بدون نویز دستگاه می شود. باید توجه داشت در این روش کنترل ظرفیت کمپرسور، باید به بازگشت طبیعی روغن به کمپرسور توجه کرد. در کارکرد با بار برودتی پایین کمپرسور اسکرال کنترل شده با درایو، راندمان بالاتری نسبت به کمپرسور دیجیتال دارد. در این حالت IEER این نوع کمپرسور بین 30 تا 50 درصد از کمپرسور دیجیتال بالاتر است. 

• کمپرسور اسکرال دیجیتال: در کمپرسور اسکرال دیجیتال، کنترل ظرفیت کمپرسور توسط یک شیر برقی انجام می شود. در این مدل کنترل ظرفیت کمپرسور به واسطه فاصله حدود 1 میلیمتری بین دو حلزونی انجام می شود. در این کمپرسور ها با فرمان شیر برقی، گاز فشار بالا در کمپرسور، بین دو حلزونی فاصله می اندازد. به این طریق تراکم صورت نمی گیرد و موجب بی باری کمپرسور می شود. بازگشت روغن در این روش کنترل ظرفیت، کاملا نرمال بوده و نگرانی ای از این بابت به وجود نخواهد آمد. در مقایسه با استفاده از درایو جهت کترل ظرفیت کمپرسور اسکرال، نویز کمپرسور اسکرال دیجیتال بیشتر است. جهت مطالعه بیشتر در مورد کمپرسور های اسکرال دیجیتال می توانید به مطلب کمپرسور اسکرال کوپلند مراجعه کنید.

• استفاده از چند کمپرسور موازی: در کمپرسور های اسکرال نیز، انتخاب کمپرسور با ظرفیت های پایین تر از بار برودتی مرسوم است. استفاده از چند کمپرسور موازی، می تواند برای کنترل ظرفیت سیستم استفاده شود. این نوع کنترل ظرفیت کمپرسور اسکرال، تقریبا مشابه روش بی باری سیلندر، در کمپرسور های سیلندر پیستونی می باشد. فرض کنیم یک کمپرسور سینلدر پیستونی 8 سیلندر با ظرفیت 40 تن تبرید داریم. آنلودر در این کمپرسور روی 6 سیلندر تعبیه شده است. با بی باری هر دو سیلندر، ظرفیت کمپرسور 10 تن تبرید کاهش می یابد. در سیستم مشابهی برای رسیدن به ظرفیت 40 تن تبرید، از 4 کمپرسور اسکرال استفاده شده است. در این سیستم نیز، با کاهش بار برودتی و خروج هر کمپرسور از مدار، 10 تن تبرید از ظرفیت سیستم کم می شود. 

کنترل ظرفیت چیلر جذبی

       در عمده سیستم های جذبی، دبی آب اواپراتور ثابت است. با کاهش دمای آب اواپراتور اگر چیلر جذبی با تمام ظرفیت کار کند، امکان یخ زدن آب چیلد وجود دارد. کنترل ظرفیت در چیلر های جذبی امری ضروری محسوب می شود. کنترل ظرفیت چیلر جذبی معمولا به روش های زیر صورت می گیرد:

• کاهش دبی بخار یا آب گرم ورودی به ژنراتور: با کاهش دبی بخار  با آب گرم ورودی به ژنراتور، مقدار مبرد کمتری از محلول جدا می شود. این امر قدرت جذب بخار مبرد را کاهش می دهد. از طرف دیگر این کار موجب کاهش مقدار مبرد تقطیر شده می شود. کاهش مبرد تقطیر شده، در نهایت دبی مبرد از کندانسور به اواپراتور را کاهش می دهد. 

• افزایش دمای آب در کندانسور: با افزایش دمای آب کندانسور، بخار مبرد کمتری تقطیر شده و دبی جریانی مبرد از کندانسور به اواپراتور کاهش می یابد. افزایش دمای کندانسور در چیلر جذبی به روش های مختلفی  صورت می گیرد. کنترل فشار در کندانسور، بای پس کردن آب ورودی و خروجی کندانسور و کنترل دور فن برج خنک کننده از روش های کنترل دمای کندانسور هستند. 

• کاهش دمای بخار با آب گرم ورودی به ژنراتور: در این روش نیز برای کنترل ظرفیت چیلر جذبی از کاهش دمای بخار با آب گرم ورودی به ژنراتور استفاده می کنیم. این روش مانند روش اول عمل می کند. 

البته روش های کنترل ظرفیت چیلر جذبی به این موارد محدود نمی شوند. با توجه به تمرکز مقاله بر چیلر های تراکمی در اینجا تنها به برخی از این روش ها اشاره شد.

جمع بندی 

        سیستم های کنترل ظرفیت در سیکل های برودتی از جهات زیادی مورد اهمیت هستند. کنترل صحیح ظرفیت سیستم، موجب کاهش مصرف انرژی، کاهش کارکرد دستگاه و افزایش طول عمر تجهیزات و ... می شوند. برخی از ایرادات به وجود آمده در کمپرسور ها، به واسطه معیوب شدن سیستم های کنترل ظرفیت می باشند. بنابراین شناخت سیستم های کنترل ظرفیت برای هر تکنسین و مهندس سامانه های تبرید امری ضروری است. لطفا نظرات خود را با ما به اشتراک بگذارید.