شبیه‌سازی چیلرها

مهندسین در صنعت در حین فرآیند تولید نیازمند سرمایش یا خنک کاری فرایند و برودت صنعتی خواهند بود. از این دسته مکانیزم‌های سرمایشی برای حذف گرما از یک فرایند تولیدی استفاده می‌شود. در دنیای مهندسی تاسیسات برای تحلیل و طراحی سیستم چیلر یا خنک کننده از نرم افزارهای متنوعی برای شبیه‌سازی استفاده می‌شود. در این مقاله علاوه بر یادگیری انواع مختلف چیلرها، با برترین نرم‌افزارهای شبیه‌سازی و مدل‌سازی نیز آشنا خواهید شد.

معرفی چیلرها

به طور کلی چیلر به دستگاهی گفته می‌شود که برای تهیه آب خنک در صنعت گرمایش و تهویه مطبوع (HVAC) استفاده می‌شود. چیلر از گرمای یک سیال مایع (مانند آب) یا گاز (مانند هوا) استفاده می‌کند و با استفاده از سیکل‌های مختلف در چیلرها آن را سرد می‌نماید. وظیفه همه آن‌هاسرمایش یک سیال است. سیال سرد شده کاربرد تهویه مطبوع ساختمانی و یا صنعتی دارد. چیلر در تهویه مطبوع با گرفتن گرما از مایع در یک سیکل تبرید تراکمی یا جذبی، آب سرد تولید می‌کند. با استفاده از پمپ‌های مخصوص و با عبور از سیستم لوله کشی این آب سرد شده می‌تواند در مبدل‌های حرارتی گردش پیدا کند و وابسته به نوع نیاز کاربری منجر به خنک‌ شدن تجهیزات، آب و هوا می‌گردد.

یک سیستم چیلر در از چهار جزء اصلی تشکیل شده است:

• کمپرسور
• کندانسور
• شیر انبساط
• اواپراتور

چیلرها را می‌توان بر اساس سیکل کاری به دو دسته‌ی زیر تقسیم نمود:

• چیلرهای تراکمی: چیلر تراکمی با سیستم سیکل تبرید کار می‌کند که در آن برای ایجاد برودت از یک ماده مبرد استفاده می‌گردد. ماده مبرد پس از جذب حرارت آب را خنک می‌کند. سپس ماده مبرد که حالا افزایش حرارت در آن اتفاق افتاده است وارد کمپرسور می‌شود و افزایش دما و فشار اتفاق خواهد افتاد. مبرد در این مرحله به فاز گاز رسیده است و وارد کندانسور می‌شود تا کاهش دما رخ دهد و در حالی وارد شیر انبساط می‌گردد که به فاز مایع رسیده است. فشار و دمای مبرد در اینجا کاهش پیدا می‌کند و مبرد در حالت دو فازی به صورت مایع و گاز وارد اواپراتور می‌شود. در آن‌ جا مبرد توسط جذب حرارت از آب خنک خواهد شد و این سیکل تکرار می‌گردد.
• چیلرهای جذبی: روند کارکرد این نوع چیلر مانند چیلر تراکمی است اما تفاوت آن‌ با چیلر جذبی در تجهیزات مورد استفاده مانند پمپ، ژنراتور و جذب‌کننده است. در این چیلر از آب فشار خلاء به عنوان سیال مبرد استفاده می‌شود. سیال مبرد حرارت را از آب جذب نموده و با گرم شدن در اواپراتور به صورت بخار آب از اواپراتور خارج می‌گردد و وارد ابزوربر یا جذب کننده می‌شود. برای جذب بخار آب از نمک لیتیوم بروماید استفاده می‌شود. بعد از جذب، محلول رقیق شده در ابزوربر با کمک پمپ به بخش ژنراتور ارسال می‌گردد. در این مرحله به آب محلول گرما داده شده که باعث غلیظ شدن آن و باقی ماندن نمک لیتیوم و سپس بازگشت آن به ابزوربر می‌گردد. سپس بخار آب وارد کندانسور شده، تقطیر صورت می‌گیرد و به اواپراتور بر می‌گردد و سیکل نیز دوباره تکرار می‌شود.

مزایای استفاده از شبیه‌سازی در طراحی و بهینه‌سازی چیلر

چیلرها در صنایع متعددی حیاتی هستند و خدمات خنک‌سازی حیاتی را حتی در فرآوری غذا و داروهای تجویزی ارائه می‌دهند. طراحی یک دستگاه چیلر با قابلیت حفظ راندمان بالای برق، توانایی مقابله با نشت مبرد و رسیدگی به مشکلات عملیاتی، یک دستاورد قابل توجه در این حیطه خواهد بود. چیدمان کندانسور و اواپراتور نیز حیاتی است زیرا طراحی اشتباه می‌تواند منجر به هشدارهای فشار بالا، یخ‌زدگی یا ناکارآمدی قیمت شود. استفاده از نرم افزارهای شبیه سازی به مهندسان این امکان را می‌دهد تا طرح‌های خود را برای حداکثر راندمان بهینه کنند و این بهینه سازی گاهی تا 36 درصد تفاوت نسبت به مطالعات تجربی پیشی می‌گیرد. برخی از مزایای بهره‌مندی از شبیه سازی در طراحی و بهینه سازی چیلرها در ادامه بیان شده‌اند:

• کاهش نیاز به ساخت نمونه‌های اولیه
• انجام تحلیل‌های دقیق و بررسی نتایج
• نگهداری پیشگیرانه در سیستم‌های خنک‌کننده
• شناسایی مشکلات چیلرها در کمترین زمان ممکن
• بهبود و ارتقای عملکرد سیستم‌های خنک‌کننده
• امکان تست و طراحی نمونه‌های منعطف با ویژگی‌های جدید

نرم افزارهای تخصصی برای شبیه‌سازی چیلرها

نرم افزارهای متعددی برای شبیه سازی سیستم‌های خنک کننده طراحی شده است که با بهره‌مندی از آن‌ها مهندسین در صنعت می‌توانند به طراحی، شبیه سازی، بهینه سازی و مدل سازی چیلرها بپردازند.

برخی از آن‌ها عبارتند از:

• ASPEN HYSYS
• CARRIER
• TRNSYS
• ENERGY PLUS

در این نرم‌افزارها در ابتدای فرآیند شبیه سازی چیلرها یا سیستم‌های تهویه مطبوع و تبریدی، تمامی معادلات لازم و حاکم بر سیال آب و مبرد گذرا در خط خنک‌کننده سیستم برون یابی می‌شود و پس از به دست آوردن معادلات دیفرانسیلی به معادلات جبری تبدیل می‌شوند و در اکثر مواقع از نرم افزار EES برای تعریف این معادلات و قابل اجرا شدن آن‌ها در نرم افزارهای مهندسی به جهت شبیه سازی چیلرها استفاده می‌شود. این نرم افزارها در ادامه توضیح داده شدهاند:

نرم‌ افزار CARRIER

نرم افزار CARRIER از پرکاربردترین و جامع‌ترین نرم افزارهای حوزه‌ی محاسبه بارهای مختلف سرمایشی و گرمایشی محسوب می‌گردد. از بزرگ‌ترین مزیت‌های این نرم افزار می توان به طرح ریزی قبلی کلیه معادلات با کدنویسی کامپیوتری مربوط به هر سیستم تهویه مطبوع یا تبرید و سردخانه‌ای اشاره نمود که این حالت را آماده‌سازی می‌نماید تا با دادن ورودی های انتقال حرارتی و ویژگی‌های ترمودینامیکی مربوط به هر سیستم با تنظیمات مختلف بتواند خروجی ها را به شکل داده‌های سازمان یافته مانند گراف و نمودارهای مختلف را در حین شبیه سازی چیلرها در اختیار کاربران و مهندسین قرار دهد. این نرم افزار را می‌توانید به صورت جامع و تخصصی در گروه آموزشی پارس پژوهان با عنوان دوره آموزش کریر هپ (Carrier HAP) ثبت نام نمایید.

نرم‌ افزار TRNSYS

این نرم‌افزار در عین گرافیکی بودن بسیار انعطاف پذیر است و رفتار سیستم‌های حاوی سیال گذرا را با توجه به دقت بالای کدهای معادلاتی مورد بررسی دقیق خود قرار می‌دهد. این نرم افزار بیشتر بر روی ارزیابی سیستم‌های انرژی الکتریکی و حرارتی تمرکز دارد ولی در کنار آن‌هامدل سازی سیستم‌های پویا مانند فرآیند و پروسه‌های بیولوژیک و ترافیک جریان را نیز انجام می‌دهد. از قابلیت‌های کلیدی دیگر نرم افزار TRNSYS به غیر از شبیه سازی چیلرها می توان به موارد زیر اشاره نمود:

• پردازش حرارت خورشیدی
• بررسی عملکرد اجزا
• مدل سازی انرژی‌های LEED
• کالیبراسیون شبیه سازی و داده‌ها
• شبیه سازی سیستم‌های سوخت سلولی هیدروژنی
• تجزیه و تحلیل‌های جزء به جزء
• امکان آنالیز داده‌های مختلف در طول مدل سازی

چنانچه دانشجویان به کار با این نرم افزار پرکاربرد علاقه داشته باشند می‌توانند به صفحه‌ی دوره آموزش ترنسیس مراجعه نموده و سرفصل‌های جامع این دوره‌ی آموزشی را مشاهده نمایند.

نرم‌ افزار ASPEN HYSYS 

نرم‌افزار ASPEN HYSYS (اسپن هایسیس) بیشتر برای شبیه سازی فرآیندهای کلی در سیالات چند فازی مورد استفاده قرار می‌گیرد که مهندسین شیمی نیز در مدل سازی‌های مربوط به آن وارد می‌شوند. این نرم افزار با شباهت به نرم افزار ترنسیس امکان تغییر در معادلات پیش‌فرض حاکم بر سیالات موجود در سیستم انرژی با قابلیت شبیه سازی چیلرها را نیز در خود جای داده است و می توان از ابتدا در آن یک سیستم تبرید چیلری تعریف کرد و در ادامه معادلاتی که با ees تنظیم شدند را به عنوان ورودی در کنار دیگر داده‌های ترمودینامیکی به HYSYS تعریف کرد تا با تنظیم حالت‌های خاص (از جمله گذار سیالات و میزان آشفتگی آن‌ها، ضریب ضخامت جداره‌ها، ضریب چسبندگی سیالات، ضریب خورندگی و الاستیسیته) شرایط خاص مورد نظر برای اعمال آن ایجاد شود تا شبیه‌سازی چیلرها آغاز شود.

از جمله ویژگی‌های کلیدی این نرم‌افزار موارد زیر را می‌توان برشمرد:

• شبیه‌سازی مبدل‌های حرارتی، پمپ‌ها، کمپرسورها، برج‌های تقطیر و راکتورها
• ارائه ابزارهای کتابخانه‌ای برای تعریف معادلات ترمودینامیکی
• تحلیل اقتصادی انواع فرآیندها و ارائه راهکارهای مفید در بهینه‌سازی
• امکان حل معادلات بقای جرم و انرژی در کمترین زمان

مهندسین مکانیک و شیمی علاقهمند به این حیطه و این نرم افزار می‌توانند در دوره‌ آموزش اسپن هایسیس مقدماتی شرکت نمایند و به صورت تخصصی برای رشته‌ی خود این برنامه را فراگیرند.

 نرم‌ افزار ENERGY PLUS

نرم‌افزار ENERGY PLUS به کارگیری چیلرها را در کارهای تاسیساتی و آنالیز داده‌های فنی در اختیار کاربرانش قرار می‌دهد و می توان با کمک این نرم افزار سیستم‌های تهویه مطبوع و تبرید و سردخانه‌ای را به‌ صورت دقیق و کاملا پیشرفته با انواع روش‌ها و پارامترها شبیه سازی و تجزیه و تحلیل نمود. این نرم افزار علاوه بر جامع بودن در حوزه سیستم‌های خنک کننده در تحلیل و آنالیز انرژی و بررسی‌های جنبه اقتصادی انرژی مصرفی ساختمان‌های صنعتی و مسکونی را نیز در برمی‌گیرد. یادگیری این نرم افزار برای مهندسین عمران، مکانیک، برق، معماری و انرژی از طریق گذراندن آن در دوره‌ آموزش انرژی پلاس (Energy plus) توصیه می‌گردد.

مقایسه ی نرم افزارهای شبیه‌سازی سیستم های خنک کننده

بازارکار و درآمد در حوزه‌ی چیلرهای صنعتی

در سال‌های اخیر در ایران طراحی، ساخت و بهینه سازی چیلرها و خنک کننده‌های صنعتی از بازار کار نسبتا مناسبی برخوردار گردیده است. صنعت‌های داروسازی، بهداشت و درمان، کاغذ و سیمان، پتروشیمی، جوشکاری، راهسازی، تزریق و ریخته‌گری، فلزکاری، پلاستیک، ماشین‌ابزار، تولید و نگهداری مواد غذایی و پرورش ماهی از دسته صنایعی هستند که از چیلر صنعتی برای تولید برودت هوای خنک و مخصوصا آب خنک استفاده می‌کنند و افراد می‌توانند با یادگیری تخصصی نرم‌افزارها شبیه‌سازی به این عرصه وارد شوند. حتی در مراحل ساخت و تولید چیلر صنعتی نیز به شبیه سازی نرم‌افزاری نیاز مبرمی وجود دارد.

مهندسین علاقه‌مند به ورود به این حوزه می‌توانند با شرکت در کلاس‌های حضوری و آنلاین، مهارت‌های مورد نیاز در زمینه طراحی و تحلیل چیلرهای صنعتی را به دست آورند. آشنایی با مکانیک و مبانی مهندسی در این مسیر نقش مهمی دارد و یادگیری آن، پایه‌ای برای درک بهتر مفاهیم فنی خواهد بود. گروه آموزشی پارس پژوهان به‌صورت تخصصی دوره‌های آموزشی فنی مهندسی را برای فارغ‌التحصیلان مکانیک و دیگر رشته‌های مرتبط فراهم کرده است. با شرکت در این دوره‌ها، می‌توانید از تجربیات اساتید حرفه‌ای بهره‌مند شوید و مدرک معتبر قابل ارائه به شرکت‌ها و کارخانه‌ها دریافت نمایید. از جمله دوره‌های آموزشی پارس پژوهان می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• دوره آموزش سالیدورک مقدماتی (Solidworks)
• دوره آموزش فلوئنت مقدماتی (Fluent)
• دوره آموزش اتوکد (AutoCAD) عمومی
• دوره آموزش کتیا مقدماتی (CATIA)

جمع‌بندی

چیلرها در ساختمان‌ها و صنایع مختلف برای تهویه مطبوع محیط و در صنایع برای خنک کردن خطوط تولید استفاده متعددی دارند. در این راستا شبیه سازی عملکرد و طراحی صحیح آن‌ها در این مسیر از اهمیت بالایی برخوردار است زیرا چنانچه یک چیلر از طراحی اصولی با عملکرد مناسب برخوردار باشد در کمترین زمان ممکن و همچنین با صرفه‌جویی در مصرف آب و انرژی همراه خواهد بود. علاقه‌مندان به این حیطه می‌توانند با یادگیری نرم افزارهای شبیه سازی چیلرها به این عرصه وارد شوند و کسب درآمد نمایند.

نویسنده مقاله : علیرضا خانی. صالحه علی پور، کارشناس ارشد مهندسی پزشکی.