Chiller

A chiller is a machine that removes heat from a liquid coolant via a vapor-compression, adsorption refrigeration, or absorption refrigeration cycles. This liquid can then be circulated through a heat exchanger to cool equipment, or another process stream (such as air or process water). As a necessary by-product, refrigeration creates waste heat that must be exhausted to ambience, or for greater efficiency, recovered for heating purposes.^[1] Vapor compression chillers may use any of a number of different types of compressors. Most common today are the hermetic scroll, semi-hermetic screw, or centrifugal compressors. The condensing side of the chiller can be either air or water cooled. Even when liquid cooled, the chiller is often cooled by an induced or forced draft cooling tower. Absorption and adsorption chillers require a heat source to function.^[2][3]

Chilled water is used to cool and dehumidify air in mid- to large-size commercial, industrial, and institutional facilities. Water cooled chillers can be evaporatively cooled via a cooling tower, exhausting to air like an air-cooled chiller or cooled via other sources such as river water. Water or liquid-cooled systems can provide efficiency and environmental impact advantages over air-cooled systems.^[4]

في أنظمة تكييف الهواء ، يُوزَّع سائل التبريد، وهو عادةً ماء مُبرَّد ممزوج بالإيثيلين جليكول ، من مُبرِّد في محطة تكييف أو تبريد، إلى مُبادلات حرارية، أو ملفات ، في وحدات مُناولة الهواء أو أنواع أخرى من الأجهزة الطرفية التي تُبرِّد الهواء في حيزها المُخصَّص . ثم يُعاد تدوير الماء إلى المُبرِّد لإعادة تبريده. تنقل ملفات التبريد هذه الحرارة المحسوسة والحرارة الكامنة من الهواء إلى الماء المُبرَّد، مما يُبرِّد تيار الهواء ويُزيل الرطوبة منه في الغالب. تتراوح قدرة المُبرِّدات النموذجية لتطبيقات تكييف الهواء بين 50 كيلوواط (170 ألف وحدة حرارية بريطانية / ساعة ) و 7 ميغاواط (24 مليون وحدة حرارية بريطانية/ساعة) ، ويُمكن لشركتين مُصنِّعتين على الأقل (يورك إنترناشونال وإل جي) إنتاج مُبرِّدات قادرة على تبريد يصل إلى 21 ميغاواط (72 مليون وحدة حرارية بريطانية/ساعة) . ^{[ 5 ] [ 6 ]} تتراوح درجات حرارة الماء المبرد (الخارج من المبرد) عادةً بين 1 و7 درجات مئوية (34 إلى 45 درجة فهرنهايت) ، وذلك حسب متطلبات التطبيق. في العادة، تستقبل المبردات الماء عند درجة حرارة 12 درجة مئوية (درجة حرارة الدخول)، ثم تبرده إلى 7 درجات مئوية (درجة حرارة الخروج). ^{[ 7 ]}           

عندما تتعطل مبردات أنظمة تكييف الهواء أو تحتاج إلى إصلاح أو استبدال، يمكن استخدام مبردات طوارئ لتوفير المياه المبردة. تُركّب المبردات المستأجرة على مقطورة ليسهل نقلها بسرعة إلى الموقع. وتُستخدم خراطيم مياه مبردة كبيرة للتوصيل بين المبردات المستأجرة وأنظمة تكييف الهواء. ^{[ 8 ]}

في التطبيقات الصناعية، يُضخ الماء المبرد أو أي سائل تبريد آخر من المبرد عبر معدات العمليات أو المختبرات. تُستخدم المبردات الصناعية للتبريد المُتحكم به للمنتجات والآليات وآلات المصانع في مجموعة واسعة من الصناعات. وتُستخدم بكثرة في صناعات البلاستيك، والقولبة بالحقن والنفخ، وزيوت قطع المعادن، ومعدات اللحام، وصب القوالب وأدوات الآلات، والمعالجة الكيميائية، وتركيبات الأدوية، ومعالجة الأغذية والمشروبات، ومعالجة الورق والأسمنت، وأنظمة التفريغ، وحيود الأشعة السينية، ومصادر الطاقة ومحطات توليد الطاقة بالتوربينات الغازية (انظر تبريد هواء مدخل التوربين#مبرد ضغط البخار )، والمعدات التحليلية، وأشباه الموصلات، وتبريد الهواء والغاز المضغوط. كما تُستخدم أيضًا لتبريد العناصر المتخصصة ذات الحرارة العالية مثل أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي وأجهزة الليزر في المستشفيات والفنادق والجامعات.

يمكن أن تكون المبردات المستخدمة في التطبيقات الصناعية مركزية، حيث يلبي مبرد واحد احتياجات تبريد متعددة، أو لا مركزية، حيث يمتلك كل تطبيق أو آلة مبردًا خاصًا به. ولكل نهج مزاياه. كما يمكن الجمع بين المبردات المركزية واللامركزية، خاصةً إذا كانت متطلبات التبريد متشابهة في بعض التطبيقات أو نقاط الاستخدام، وليست جميعها.

يُستخدم الماء المبرد لتبريد الهواء وإزالة الرطوبة منه في المنشآت التجارية والصناعية والمؤسسية متوسطة وكبيرة الحجم. ويمكن أن تكون المبردات السائلة مبردة بالماء، أو بالهواء، أو بالتبخير. تعتمد المبردات المبردة بالماء أو السائل على أبراج التبريد ، مما يُحسّن من كفاءتها الديناميكية الحرارية مقارنةً بالمبردات المبردة بالهواء. ويعود ذلك إلى طرد الحرارة عند درجة حرارة البصيلة الرطبة أو بالقرب منها، بدلاً من درجة حرارة البصيلة الجافة الأعلى، والتي قد تكون أعلى بكثير في بعض الأحيان. أما المبردات المبردة بالتبخير، فتتميز بكفاءة أعلى من المبردات المبردة بالهواء، ولكنها أقل من المبردات المبردة بالماء.

عادةً ما تكون المبردات المبردة بالسوائل مخصصة للتركيب والتشغيل الداخلي، ويتم تبريدها بواسطة حلقة مياه مكثف منفصلة ومتصلة بأبراج تبريد خارجية لطرد الحرارة إلى الغلاف الجوي.

صُممت المبردات الهوائية والمبردات التبخيرية للتركيب والتشغيل في الهواء الطلق. تُبرّد المبردات الهوائية مباشرةً عن طريق تدوير الهواء المحيط ميكانيكيًا عبر ملف المكثف لطرد الحرارة إلى الجو. أما المبردات التبخيرية، فهي مشابهة، إلا أنها تستخدم رذاذًا من الماء فوق ملف المكثف للمساعدة في تبريده، مما يجعلها أكثر كفاءة من المبردات الهوائية التقليدية. لا يتطلب أي من هذين النوعين من المبردات الهوائية أو التبخيرية عادةً برج تبريد خارجي.

عند توفرها، يمكن استخدام المياه الباردة المتوفرة بكثرة في المسطحات المائية القريبة مباشرةً للتبريد، إما كبديل أو مكمل لأبراج التبريد. ويُعد نظام التبريد بالمياه العميقة في تورنتو، أونتاريو ، كندا ، مثالاً على ذلك. إذ يستخدم مياه البحيرة الباردة لتبريد المبردات، التي بدورها تُستخدم لتبريد مباني المدينة عبر نظام تبريد مركزي . وتُستخدم المياه المُعادة لتسخين مياه الشرب في المدينة، وهو أمر مرغوب فيه في هذا المناخ البارد. وعندما يُمكن استخدام الحرارة الناتجة عن المبردات لأغراض إنتاجية، بالإضافة إلى وظيفة التبريد، يُمكن تحقيق كفاءة حرارية عالية جدًا.

تعتمد تقنية التبريد الحالية بضغط البخار على " دورة رانكين العكسية " المعروفة بضغط البخار. انظر الرسم التوضيحي المرفق الذي يُبين المكونات الرئيسية لنظام التبريد.

تستخدم مبردات ضغط البخار عادةً أحد أربعة أنواع من الضواغط: الضواغط الترددية ، والضواغط الحلزونية ، والضواغط اللولبية ، والضواغط الطاردة المركزية . جميعها آلات ميكانيكية يمكن تشغيلها بواسطة محركات كهربائية أو بخارية أو توربينات غازية . يُعد استخدام المحركات الكهربائية في تكوين شبه محكم أو محكم الطريقة الأكثر شيوعًا لتشغيل الضواغط، نظرًا لإمكانية تبريدها بكفاءة وسهولة بواسطة المُبرِّد، دون الحاجة إلى إمداد بالوقود أو تهوية العادم، كما أنها لا تتطلب موانع تسرب للمحور لأن المحرك يعمل في المُبرِّد، مما يقلل من الصيانة والتسريبات وتكاليف التشغيل ووقت التوقف، على الرغم من استخدام الضواغط المفتوحة أحيانًا. تُنتج هذه الضواغط تأثير التبريد عبر دورة رانكين العكسية ، والمعروفة أيضًا بضغط البخار. وبفضل طرد الحرارة الناتج عن التبريد التبخيري ، تكون معاملات الأداء (COPs) لهذه الضواغط عالية جدًا، وعادةً ما تكون 4.0 أو أكثر.

شرطي${\displaystyle ={\frac {\text{قوة التبريد}}{\text{طاقة الإدخال}}}}$

المكونات الرئيسية للمبرد:

ضواغط التبريد هي في الأساس مضخات لغاز التبريد. تُقاس سعة الضاغط، وبالتالي سعة تبريد المبرد، بالكيلوواط (kW) أو الحصان (HP) أو التدفق الحجمي (م³ ^/ س، قدم³ ^/ س). تختلف آلية ضغط غاز التبريد بين الضواغط، ولكل منها استخداماته الخاصة. تشمل ضواغط التبريد الشائعة الضواغط الترددية، واللولبية، والضوئية، والطاردة المركزية. يمكن تشغيل هذه الضواغط بواسطة محركات كهربائية، أو توربينات بخارية، أو توربينات غازية. قد تحتوي الضواغط على محرك مدمج من شركة مصنعة محددة، أو قد تكون مفتوحة المحرك، مما يسمح بتوصيلها بنوع آخر من الوصلات الميكانيكية. كما يمكن أن تكون الضواغط محكمة الإغلاق (ملحومة) أو شبه محكمة الإغلاق (مثبتة بمسامير).

في السنوات الأخيرة، ساهم تطبيق تقنية محركات السرعة المتغيرة (VSD) في رفع كفاءة مبردات ضغط البخار. طُبقت هذه التقنية لأول مرة على مبردات الضواغط الطاردة المركزية في أواخر سبعينيات القرن الماضي، وأصبحت معيارًا شائعًا مع ارتفاع تكلفة الطاقة. واليوم، تُستخدم محركات السرعة المتغيرة في ضواغط اللولب الدوارة والضواغط الحلزونية.

يمكن أن تكون المكثفات مبردة بالهواء، أو بالسوائل، أو بالتبخير. المكثف عبارة عن مبادل حراري يسمح بانتقال الحرارة من غاز التبريد إلى الماء أو الهواء. تُصنع المكثفات المبردة بالهواء من أنابيب نحاسية (لتدفق غاز التبريد) وزعانف ألومنيوم (لتدفق الهواء). تختلف تكلفة المواد المستخدمة في كل مكثف، كما تختلف كفاءتها. تتميز المكثفات المبردة بالتبخير بمعامل أداء عالٍ جدًا، يصل عادةً إلى 4.0 أو أكثر. تُركّب المكثفات المبردة بالهواء وتُشغّل في الهواء الطلق، حيث تُبرّد بالهواء الخارجي الذي يُدفع غالبًا عبر المكثف باستخدام مراوح كهربائية . أما المكثفات المبردة بالماء أو السوائل، فتُبرّد بالماء الذي يُبرّد بدوره غالبًا بواسطة برج تبريد .

يُقيّد صمام التمدد ( TEV ) أو جهاز قياس المُبرّد (RMD) تدفق سائل التبريد، مما يُسبب انخفاضًا في الضغط يُؤدي إلى تبخير جزء من سائل التبريد؛ ويمتص هذا التبخر الحرارة من سائل التبريد المجاور. يقع جهاز قياس المُبرّد مباشرةً قبل المُبخر، بحيث يمتص الغاز البارد الموجود في المُبخر الحرارة من الماء الموجود فيه. يوجد مُستشعر لجهاز قياس المُبرّد على جانب مخرج المُبخر، مما يسمح له بتنظيم تدفق سائل التبريد بناءً على متطلبات تصميم المُبرّد.

يمكن أن تكون المبخرات من النوع اللوحي أو النوع الأنبوبي. المبخر عبارة عن مبادل حراري يسمح بانتقال الطاقة الحرارية من تيار الماء إلى غاز التبريد. أثناء تحول سائل التبريد المتبقي إلى غاز، يمكن لغاز التبريد امتصاص كميات كبيرة من الحرارة دون أن تتغير درجة حرارته.

تعتمد الدورة الديناميكية الحرارية لمبرد الامتصاص على مصدر حراري، وعادةً ما يتم تزويد المبرد بهذه الحرارة عبر البخار أو الماء الساخن أو الاحتراق. بالمقارنة مع المبردات التي تعمل بالكهرباء، يتميز مبرد الامتصاص باستهلاك منخفض جدًا للطاقة الكهربائية، حيث نادرًا ما يتجاوز  استهلاكه الإجمالي 15 كيلوواط لكل من مضخة المحلول ومضخة المُبرِّد. مع ذلك، فإن متطلباته من مدخلات الحرارة كبيرة، وغالبًا ما يتراوح معامل الأداء (COP) بين 0.5 (للمبرد أحادي التأثير) و1.0 (للمبرد ثنائي التأثير). وللحصول على نفس سعة التبريد، يتطلب مبرد الامتصاص برج تبريد أكبر بكثير من مبرد ضغط البخار. ومع ذلك، تتفوق مبردات الامتصاص، من منظور كفاءة الطاقة، في المناطق التي تتوفر فيها الحرارة الرخيصة منخفضة الجودة أو الحرارة المهدرة بسهولة. ^{[ 9 ]} في المناخات المشمسة للغاية، تُستخدم الطاقة الشمسية لتشغيل مبردات الامتصاص.

تستخدم دورة الامتصاص أحادية التأثير الماء كمبرد وبروميد الليثيوم كمادة ماصة. ويكمن سر نجاح هذه الدورة في قوة انجذاب هاتين المادتين لبعضهما البعض. وتحدث العملية برمتها في فراغ شبه تام.

1. مضخة المحلول  : يُجمع محلول مخفف من بروميد الليثيوم (بتركيز 60%) في قاع غلاف الممتص. ومن هنا، تقوم مضخة محلول محكمة الإغلاق بنقل المحلول عبر مبادل حراري أنبوبي ذي غلاف لتسخينه مسبقًا.
2. المولد  : بعد خروج المحلول المخفف من المبادل الحراري، ينتقل إلى الغلاف العلوي. يحيط المحلول بحزمة من الأنابيب التي تحمل إما بخارًا أو ماءً ساخنًا. ينقل البخار أو الماء الساخن الحرارة إلى حوض محلول بروميد الليثيوم المخفف. يغلي المحلول، دافعًا بخار المبرد إلى أعلى نحو المكثف، تاركًا وراءه بروميد الليثيوم المركز. ينتقل محلول بروميد الليثيوم المركز إلى أسفل نحو المبادل الحراري، حيث يتم تبريده بواسطة المحلول المخفف الذي يُضخ إلى المولد.
3. المكثف  : ينتقل بخار المُبرِّد عبر مُزيلات الرذاذ إلى حزمة أنابيب المكثف. يتكثف بخار المُبرِّد على الأنابيب. تُزال الحرارة بواسطة ماء التبريد الذي يمر داخل الأنابيب. وعندما يتكثف المُبرِّد، يتجمع في حوض أسفل المكثف.
4. المبخر  : ينتقل سائل التبريد من المكثف في الغلاف العلوي إلى المبخر في الغلاف السفلي، ويُرش فوق حزمة أنابيب المبخر. وبسبب الفراغ الشديد في الغلاف السفلي [  ضغط مطلق 6 مم زئبق (0.8 كيلو باسكال)]، يغلي سائل التبريد عند حوالي 4 درجات مئوية (39 درجة فهرنهايت) ، مما يُحدث تأثير التبريد. (ينشأ هذا الفراغ بفعل خاصية استرطابية - انجذاب بروميد الليثيوم الشديد للماء - في الممتص الموجود أسفله مباشرةً).  
5. الممتص  : أثناء انتقال بخار المُبرِّد من المُبَخِّر إلى الممتص، يُرش محلول بروميد الليثيوم المركز من المُوَلِّد فوق حزمة أنابيب الممتص. يعمل محلول بروميد الليثيوم المركز على سحب بخار المُبرِّد وتحويله إلى محلول، مما يُولِّد فراغًا شديدًا داخل المُبَخِّر. كما يُولِّد امتصاص بخار المُبرِّد في محلول بروميد الليثيوم حرارةً تُزال بواسطة ماء التبريد. يتجمع محلول بروميد الليثيوم المخفف في قاع الغلاف السفلي، حيث يتدفق إلى مضخة المحلول. وبذلك تكتمل دورة التبريد، وتبدأ العملية من جديد. ^{[ 10 ]}

تشمل المواصفات المهمة التي يجب مراعاتها عند البحث عن مبردات صناعية: التكلفة الإجمالية لدورة حياة المبرد، ومصدر الطاقة، وتصنيف الحماية (IP)، وسعة التبريد، وسعة المبخر، ومادة المبخر، ونوعه، ومادة المكثف، وسعته، ودرجة الحرارة المحيطة، ونوع مروحة المحرك، ومستوى الضوضاء، ومواد الأنابيب الداخلية، وعدد الضواغط، ونوعها، وعدد دوائر التبريد، ومتطلبات سائل التبريد، ودرجة حرارة تصريف السائل، ومعامل الأداء (COP) (نسبة سعة التبريد بالطن المكافئ للتبريد إلى الطاقة المستهلكة من قِبل المبرد بالكامل بالكيلوواط). بالنسبة للمبردات المتوسطة إلى الكبيرة، يتراوح هذا المعامل عادةً بين 3.5 و7.0، حيث تشير القيم الأعلى إلى كفاءة أعلى. في الولايات المتحدة، تُحدد كفاءة المبرد غالبًا بالكيلوواط لكل طن تبريد (kW/RT).

تشمل مواصفات مضخة العمليات المهمة التي يجب مراعاتها: معدل تدفق العملية، وضغطها، ومادة المضخة، ومادة مانع التسرب المطاطي والميكانيكي للعمود، وجهد المحرك، وفئة المحرك الكهربائية، وتصنيف حماية المحرك (IP)، وقدرة المضخة. إذا كانت درجة حرارة الماء البارد أقل من -5  درجة مئوية، فيجب استخدام مضخة خاصة لضخ تركيزات عالية من الإيثيلين جليكول. تشمل المواصفات المهمة الأخرى: حجم خزان الماء الداخلي ومواده، وتيار الحمل الكامل.

تشمل ميزات لوحة التحكم التي يجب مراعاتها عند الاختيار بين المبردات الصناعية لوحة التحكم المحلية، ولوحة التحكم عن بعد، ومؤشرات الأعطال، ومؤشرات درجة الحرارة، ومؤشرات الضغط.

تشمل الميزات الإضافية أجهزة إنذار الطوارئ، ونظام تحويل الغاز الساخن، ونظام تحويل مياه المدينة، وعجلات. ^{[ 10 ]}

تُعد المبردات القابلة للفك خيارًا مناسبًا أيضًا للنشر في المناطق النائية وفي الظروف التي قد تكون حارة ومغبرة. ^{[ 12 ]}

إذا كانت مستويات الضوضاء الصادرة من المبرد غير مقبولة صوتيًا، فسيقوم مهندسو التحكم في الضوضاء بتركيب مخففات صوتية لتقليلها. عادةً ما تتطلب المبردات الكبيرة مجموعة من مخففات الصوت، تُعرف أحيانًا باسم "مجموعة كاتمات الصوت".

تستخدم مبردات ضغط البخار مادة تبريد داخلية كسائل تشغيل. تتوفر خيارات عديدة لمواد التبريد؛ عند اختيار المبرد، يجب مطابقة متطلبات درجة حرارة التبريد للتطبيق مع خصائص تبريد مادة التبريد. من أهم المعايير التي يجب مراعاتها درجات حرارة التشغيل والضغوط.

There are several environmental factors that concern refrigerants, and also affect the future availability for chiller applications. This is a key consideration in intermittent applications where a large chiller may last for 25 years or more. Ozone depletion potential (ODP) and global warming potential (GWP) of the refrigerant need to be considered. ODP and GWP data for some of the more common vapor-compression refrigerants (noting that many of these refrigerants are highly flammable and/or toxic):

R12 is the ODP reference. CO₂ is the GWP reference.

The refrigerants used in the chillers sold in Europe are mainly R410a (70%), R407c (20%) and R134a (10%).^[16]

توجد أنواع مختلفة من المبردات الصناعية ، مثل المبردات المبردة بالهواء التي تستخدم الهواء المحيط لإطلاق الحرارة، والمبردات المبردة بالماء التي تعتمد على الماء لتبريد أكثر كفاءة، ومبردات الامتصاص التي تعمل باستخدام الطاقة الحرارية بدلاً من الكهرباء لعمليات محددة.

• حاسبة استهلاك الطاقة للمبردات (تتطلب برنامج جافا)