مقدمه

با توجه به نیاز یک دیتاسنتر به سرمایش و لزوم ایجاد یک سیستم مناسب به منظور خنک سازی آنها، بر اساس شرایط و طراحی صورت گرفته می توان از سیستم های آبی یا گازی استفاده نمود. در سیستم های آبی جزء اصلی سیستم سرمایش، چیلر می باشد. استفاده از چیلر هوا خنک در دیتاسنترها به دلیل یکپارچه بودن، تعمیر و نگهداری آسان تر و عملکرد مناسب، متداول تر است. همچنین باید در نظر داشت که به دلیل فعالیت 24*7 دیتاسنترها، چیلرهای مناسب در این سایت ها می بایست حتما دائم کار باشند. در این مقاله سعی شده است علاوه بر معرفی چیلر هوا خنک و اجزای آن، نکات مهم در انتخاب چیلر هوا خنک مناسب دیتاسنتر نیز ارائه شود.

معرفی چیلر هوا خنک

چیلرها را می توان بر اساس موارد مختلفی طبقه بندی کرد:

• فناوری مبرد و کمپرسور (سانتریفیوژ، اسکرو، جذبی و غیره)
• منبع دفع حرارت (هوا خنک یا آب خنک)
• تامین منبع انرژی (موتور الکتریکی، توربین بخار، آب گرم یا جذب بخار، موتور احتراق داخلی و غیره)
• دمای مایعی که می بایست تامین کند.
• اندازه: ظرفیت به تن

چیلرهای هوا خنک در طبقه بندی چیلرها از لحاظ منبع دفع حرارت می باشند. این نوع چیلرها سیستم های برودتی هستند که در تأسیسات تجاری و صنعتی برای خنک سازی مایعات و یا رطوبت زدایی هوا به کار می روند. این چیلرها با تنظیمات متنوع در اماکن مختلفی از جمله هتل ها، سازمان ها، رستوران ها، مراکز ورزشی، ساخت و سازهای بزرگ، کارخانه های صنعتی و تولیدی و غیره استفاده می شوند. چیلرهای هوا خنک کاربرد وسیعی در دیتاسنترها دارند و برندهای معروف ساخت چیلر آنها را در ظرفیت های گوناگون به منظور استفاده در دیتاسنترها بهینه و آماده سازی نموده اند. چیلرهای هوا خنک معمولا بر اساس نوع کمپرسور و کندانسور استفاده شده در آنها طبقه بندی می شوند. بر اساس نوع کمپرسور (اسکرال، پیستونی، اسکرو، سانتریفیوژ) بر اساس نوع کندانسور (یکپارچه، دو پارچه).  

شماتیک اجزای اصلی و اصول عملکرد چیلر هوا خنک

ابتدا بهتر است با اصول عملکرد چیلرهای هواخنک به طور مختصر آشنایی پیدا کرد. در شکل زیر اجزای اصلی سیکل تبرید یک چیلر هوا خنک شامل کمپرسور، کندانسور، اواپراتور و شیر انبساط نمایش داده شده است. همانطور که در شکل مشاهده می شود نحوه عملکرد و ارتباط این تجهیزات با یکدیگر مشخص می باشد. سیکل تبرید یک چیلر هوا خنک شامل 2 فرآیند مهم می باشد: 1- تبخیر مبرد مایع در اواپراتور که سبب جذب حرارت و کاهش دمای آب خنک کننده سیستم می شود. 2- چگالش بخار مبرد در کندانسور هوا خنک و پس دادن حرارت به هوا

مرحله اول

در سیکل تبرید چیلر هوا خنک، آب وارد اواپراتور شده و توسط مبرد خنک تر که درون مدار دیگر اواپراتور در جریان است سرد می شود. آب خنک شده در چیلر توسط پمپ به سمت دستگاه های خنک کننده داخل سایت یا ساختمان فرستاده می شود تا سرمایش فضای مورد نظر صورت پذیرد. در اواپراتور دستگاه داخل سایت، آب سرد سبب خنک شدن ساختمان یا تجهیزات شده و این سیکل زمانی تکمیل می گردد که آب گرم شده به منظور سرد شدن به سمت اواپراتور چیلر بر می گردد. در اواپراتور چیلر، مخلوطی از مایع مبرد و گاز فلاش (در تبرید، گاز فلاش مبرد به صورت گازی است که وقتی مایع غلیظ تحت جوش قرار می گیرد، خود به خود تولید می شود.) در مدار مخالف آبی که سرد می شود در جریان است. در اواپراتور مبرد گرما را از آب برگشتی گرمتر جذب کرده و تبخیر شده و به صورت بخار در آمده و در نهایت به صورت بخار سوپرهیت اواپراتور را ترک می کند. بخار مبرد سوپرهیت سپس وارد ورودی مکش کمپرسور می شود. در کمپرسور، گاز متراکم شده و دما و فشار آن افزایش پیدا می کند. مبرد گازی با دما و فشار بالا از مسیر دیشارژ کمپرسور خارج شده و به کندانسور وارد می شود. گاز داغ تا زمانی که در کویل کندانسور هوا خنک قرار دارد، در لوله های کندانسور با انتقال حرارت خود به هوای خنک به مایع تبدیل می شود. که این عمل به کمک فن های کندانسور صورت می پذیرد.

مرحله دوم

سپس مبرد مایع چگالیده شده وارد شیر انبساط می شود. در زمانی که مبرد در شیر انبساط جریان دارد، فشار و دمای آن تا نقطه ای کاهش پیدا می کند که مقداری از مایع به بخار تبدیل شود. با استفاده از این تجهیز، میزان سوپرهیت ایجادشده در جریان خروجی از اواپراتور تنظیم می شود تا از ورود مایع مبرد به کمپرسور جلوگیری شود. شیر انبساط با توجه به مقدار فشار و دمای مبرد خروجی از اواپراتور، میزان سوپرهیت را تشخیص داده و در صورت پایین بودن مقدار آن، مسیر عبور جریان مبرد را کاهش می دهد تا مبرد کمتری وارد اواپراتور شود. به این وسیله میزان سوپرهیت بخار مبرد در خروج از اواپراتور افزایش می یابد. بعد از شیر انبساط مبرد دوباره وارد اواپراتور شده و این چرخه ادامه پیدا می کند. به منظور شناخت هر چه بیشتر چیلر هواخنک ابتدا بهتر است با اجزای اصلی تشکیل دهنده آن و انواع مختلف هر تجهیز آشنایی مختصری پیدا کرد. در این مقاله سعی بر آن است تا این امر حاصل گردد.

کمپرسور چیلر هوا خنک

کمپرسور یک چیلر هواخنک به عنوان قلب دستگاه و مهمترین تجهیز آن می باشد. باید توجه داشت که به طور کلی در چیلرهای مختص دیتاسنتر از 2 یا بیشتر کمپرسور و به طبع آن مدار بهره گرفته می شود تا خود هر چیلر نیز بتواند افزونگی مناسبی را تامین نماید. کمپرسور پیستونی: این نوع کمپرسورها از قطعات متحرک زیادی تشکیل شده اند. کمپرسورهای پیستونی معمولا در چیلرهایی با ظرفیت های 0.5 تا 150 تن تبرید به کار گرفته می شوند. کمپرسور سانتریفیوژ: کمپرسورهای سانتریفیوژ به علت حجم جابجایی زیادی که دارند، معمولاً در چیلرها با ظرفیت های خیلی بالا در محدوده 90 تا 1000 تن تبرید استفاده می شوند. اغلب در چیلرهای آب خنک مورد استفاده قرار می گیرد. کمپرسور اسکرال: کمپرسور اسکرال یک ماشین جابجایی مثبت است که مبرد توسط جابجایی دو دیسک مارپیچی که در کنار هم قرار دارند، فشرده می شود. کمپرسورهای اسکرال معمولا در چیلرهای با ظرفیت حداکثر حدود 90 تن تبرید (به صورت استفاده از ترکیب چند کمپرسور) مورد استفاده قرار می گیرند. کمپرسور اسکرو: کمپرسورهای اسکرو، ماشین هایی با جابجایی مثبت هستند که از روتورهای مارپیچ برای فشرده سازی گاز مبرد استفاده می کنند. از این نوع کمپرسورها اغلب در چیلرهایی با ظرفیت 70 تا 500 تن تبرید بهره گرفته می شود.

اواپراتور چیلر هوا خنک

دسته بندی های مختلف اواپراتورها در انواع مختلف کاربردهای برودتی مورد استفاده قرار می گیرند و بر این اساس طرح های مختلفی دارند. اواپراتورها بسته به نوع ساخت اواپراتور، روش تغذیه مبرد، جهت گردش هوا در اطراف اواپراتور و ... می توانند به روش های مختلف طبقه بندی شوند. در اینجا طبقه بندی اواپراتورها بر اساس ساخت آنها تشریح می گردند. در چیلرهای هوا خنک معمولا از 2 نوع اواپراتور استفاده می شود. مبدل پوسته-لوله ای (Shell and Tube Heat Exchanger) و مبدل صفحه ای (Plate Heat Exchanger) که هر کدام از آنها می توانند نقش انتقال حرارت از آب به سیال مبرد چیلر را بر عهده بگیرند (حرارت را از آبی که باید در چیلر سرد شود، جذب کرده و به مبرد در حال تبخیر انتقال می دهند).

مبدل پوسته-لوله ای (Shell and Tube Heat Exchanger)

یک مبدل حرارتی پوسته و لوله از یک سری لوله تشکیل شده است که درون یک استوانه به نام پوسته قرار دارند. همه لوله های داخل پوسته در مجموع بسته لوله نامیده می شوند. در هر مسیر لوله سیال می بایست از مجموعه ای از موانع (بافل) و ورق های لوله عبور کند. یکی از ورق های لوله ثابت است و دیگری آزادانه قابل حرکت است، که باعث می شود تا با گرم شدن مبدل حرارتی، انبساط حرارتی ایجاد شود. مبدل های حرارتی پوسته و لوله دارای یک طراحی ساده، قابلیت انتقال حرارت مناسب و هزینه های خرید و نگهداری نسبتاً کم هستند. آنها همچنین دارای سرعت انتقال حرارت بسیار بالا هستند اگرچه فضای بیشتری نسبت به مبدل حرارتی صفحه ای با ظرفیت تبادل حرارتی مشابه نیاز دارند. این نوع اواپراتورها خود به 2 نوع تقسیم می شوند. یک نوع از آنها آب در پوسته قرار دارد که در این حالت مبرد در لوله ها جریان می یابد که اواپراتور DX نامیده می شود. نوع دیگر آن مبرد در پوسته جریان دارد که در این حالت اواپراتور مستغرق نامیده می شود.

مبدل صفحه ای (Plate Heat Exchanger)

یک مبدل صفحه ای متشکل از یک سری صفحات موازی می باشد که یکی بالاتر از دیگری قرار می گیرد تا امکان تشکیل یک سری کانال برای جریان مایعات بین آنها فراهم شود. فضای بین دو صفحه مجاور کانالی را تشکیل می دهد که مایع در آن جریان دارد. سوراخ های ورودی و خروجی در گوشه های صفحه ها، مایعات گرم و سرد را از طریق کانال های متناوب مبدل شرایطی را فراهم می آورد تا یک صفحه همیشه از یک طرف با مایع گرم و از سمت دیگر با سرما در تماس باشد. اندازه یک صفحه می تواند از چند سانتی متر مربع (ابعاد 100 میلی متر در 300 میلی متر) تا 2 یا 3 متر مربع (ابعاد 1000 میلی متر در 2500 میلی متر) باشد. تعداد صفحات در یک مبدل می تواند از ده تا چند صد عدد باشد تا به تبادل سطح تا هزاران متر مربع برسد.

با توجه به مطالب عنوان شده می توان نتیجه گرفت که در چیلرهای کوچک به دلیل حجم و وزن کمتر و مقرون به صرفه تر بودن، از اواپراتورهای صفحه ای و در چیلرهای بزرگ از اواپراتور های پوسته-لوله ای بهره گرفته می شود. به دلیل نوع طراحی و ایجاد جریان مغشوش بیشتر در اواپراتور، راندمان اواپراتور صفحه ای بالاتر از نوع پوسته و لوله می باشد. بازده گرما باید بر اساس ناحیه تبادل حرارت باشد ، راندمان بالاتر به این معنی است که می تواند انرژی بیشتری را با مساحت تبادل حرارت کمتر انتقال دهد. از طرف دیگر، اگر بازده پایین تر باشد، ما به تبادل گرمای بیشتری نیاز داریم. افت فشار در اواپراتورهای صفحه ای بیشتر از اواپراتور های پوسته-لوله ای است. اواپراتورهای صفحه ای در برابر جریان های آب دارای ذرات ریز بسیار حساس می باشند و به صورت مکانیکی قابل تمیز کردن نمی باشند. از لحاظ تعمیر و نگهداری نیز نوع پوسته-لوله ای برای مهندسان قابل شناخت تر و آسان تر می باشد. تفاوت اساسی بین اواپراتورهای DX و مستغرق نیز در این است که در نوع DX در هنگام طراحی می توان با قرار دادن بخش گرمایشی داخل پوسته از انجماد آب پیشگیری کرد حال آنکه در اواپراتور مستغرق این کار میسر نمی باشد. همچنین فقط اواپراتور مستغرق به صورت مکانیکی قابل تمیز کردن می باشد. به طور کلی استفاده از اواپراتورهای پوسته-لوله ای گسترده تر می باشد با اینکه آنها از اواپراتور صفحه ای بزرگتر و سنگینتر هستند.

 کندانسور چیلر هوا خنک

کندانسور در یک چیلر هواخنک، یک مبدل حرارتی است که سبب چگالش گاز مبرد داغ می شود که این امر با عبور دادن هوای خنک تر محیط از روی کویل میسر می شود. در یک چیلر هواخنک به طور معمول از فن های پروانه ای برای عبور جریان محیط از روی کویل ها بهره گرفته می شود. بخار مبرد داغ و فشار بالا در طول لوله های کندانسور جریان یافته و به مایع تبدیل می شود. در زیر بر اساس نوع کویل 2 مدل از کندانسورهای هوا خنک معرفی می شوند.

کندانسور هوایی با کویل فین و لوله (Fin And Tube Coil):

کویل های Fin And Tube از تعدادی لوله و صفحات فین تشکیل شده است. لوله هایی از جنس مس که به علت قابلیت هدایت حرارتی بالای مس، گرما بخوبی از جداره آن ها عبور می کند. به منظور افزایش میزان انتقال حرارت بین لوله ها و جریان هوای عبوری از روی کویل، تعداد زیادی صفحات فین از جنس آلومینیوم و در فواصل کمی جهت افزایش سطح تبادل کننده گرما، تعبیه می شوند.

کندانسور هوایی با کویل میکرو کانال (Micro Channel Coil):

میکرو کانال، نوع پیشرفته ای از کویل های کندانسور می باشد که ساختاری مشابه کویل های Fin And Tube دارد. با این تفاوت که جریان داغ گاز،  از درون کانال های بسیار کوچکی (Micro Channel) از جنس آلومینیوم عبور کرده و فین هایی آلومینیومی نیز به طور فشرده، بین این کانال ها قرار می گیرند. با توجه به مقطع خیلی کوچک این کانال ها، انتقال حرارت از جریان گاز به جداره کانال، به مراتب در مقایسه با انتقال حرارت بین جریان گاز و جداره لوله در کویل های Fin And Tube بهتر صورت می گیرد؛ چرا که فاصله بین مرکز جریان گاز و بستر جامد (دیواره کانال) بسیار کمتر است. به همین علت می توان به کمک کویل های میکرو کانال، سطح جانبی کویل کندانسور را تا 23% نسبت به کویل های Fin And Tube در ظرفیت مشابه، کاهش داد. البته وجود فین های فشرده بین کانال ها باعث شده است که استفاده از این نوع کویل در محیط هایی با هوای غبارآلود انتخاب چندان مناسبی نباشد؛ چراکه براحتی امکان گرفتگی کویل ها و کاهش راندمان آن ها وجود خواهد داشت. ادامه این مقاله را میتوانید در قسمت دوم آن مشاهده بفرمائید. همچنین جهت کسب اطلاعات بیشتر با کارشناسان ما تماس بگیرید. در نگارش این مقاله از استانداردهای اشری و مقالات اشنایدر بهره گرفته شده است.