سردخانه‌های دو مرحله‌ای گونه‌ای از سردخانه‌های صنعتی هستند که به منظور سرمایش تا دمای منفی شصت درجه نیز می توان از آنها کمک گرفت. در این سردخانه‌ها به واقع از دو واحد کمپرسوری در کنار هم استفاده می‌شود. به شکلی که واحد کمپرسوری اول کار فشرده سازی سیال مبرد را تا حد فشار متوسط انجام می دهد. سپس این سیال مبرد وارد بخش دوم سیکل تبرید تراکمی شده و عمل فشرده سازی سیال مبرد در مرحلۀ دوم مجدداً تکرار می‌شود.
در این مرحله فشار سیال تا حد زیادی بالا می‌رود. این عمل باعث بهبود عملکرد سیکل تبرید تراکمی شده و کارایی آن را افزایش می‌دهد. در طراحی سردخانه‌های دو مرحله‌ای می توان از سیکل‌های تبریدی آمونیاکی و سیکل‌های تبریدی فریونی استفاده کرد. در این مقاله قصد داریم به معرفی سردخانه‌های دو مرحله‌ای بپردازیم و مزایا و معایب آنها را بررسی کنیم.
فهرست مطالب
سردخانه دو مرحله‌ای
استفاده از سردخانه‌ها به منظور سرمایش و نگهداری مواد خوراکی، دارویی و صنعتی امروزه یک اتفاق معمول است. نکته این جاست که برای نگهداری هر محصول نیاز به یک دمای عملکردی مشخص خواهد بود. به همین خاطر است که امروزه سردخانه‌های متنوعی با طراحی‌های مختلف ساخته شده و مورد استفاده قرار می‌گیرند. یکی از این گونه‌های متفاوت سردخانه‌ها، سردخانه‌های دو مرحله‌ای هستند.
این سردخانه‌ها زیرمجموعۀ سردخانه‌های زیر صفری به حساب می‌آیند و می‌توانند عمل سرمایش را به شکل مطلوب‌تری انجام دهند. موارد استفاده از سردخانه‌های دو مرحله‌ای برای مواردی است که نیاز به انجماد کامل یک محصول وجود دارد. برای مثال ممکن است برای انجماد محصولات گوشتی در مدت طولانی یا جهت حمل و نقل‌هایی با مسافت زیاد از سردخانه‌های دو مرحله‌ای استفاده شود.
همچنین در برخی از مصارف صنعتی نیز ممکن است نیاز به دماهای خیلی پایین وجود داشته باشد و در نتیجه از این سردخانه‌ها کمک گرفته شود. دمای عملکردی سردخانه‌های دو مرحله‌ای می‌تواند تا منفی شصت درجه سانتیگراد نیز کاهش پیدا کند.
یکی دیگر از موارد استفاده از سردخانه‌های دو مرحله‌ای مواقعی است که بخواهید چند سالن سردخانه‌ای با دماهای عملکردی متفاوت داشته باشید. فرض کنید در یک سالن نیاز به دمای عملکردی بالاتری داشته باشید و در سالن دیگر باید دمای عملکردی پایین‌تر از سالن اول باشد. برای مثال در مواقعی که بخواهید محصولات گوشتی و محصولاتی مانند میوه و سبزیجات را در یک سردخانه نگهداری کنید، به سردخانه‌ای با این شکل از طراحی نیاز خواهید داشت. با توجه به اینکه در سردخانه‌های دو مرحله‌ای لازم است سیال مبرد پس از خارج شدن از کمپرسور فشار پایین، وارد کندانسور شود تا دمای آن پایین بیاید و سپس مجدداً وارد کمپرسور دوم شود، می‌توان از یک سیکل تبریدی دو مرحله‌ای در این میان استفاده کرد.
در این شکل از طراحی از یک سپراتور یا اینترکولر با دمای میانگین کمک گرفته می‌شود؛ که سیال مبرد پس از عبور از کمپرسور فشار پایین به درون آن تخلیه خواهد شد. در این فرایند می‌توان از این گرمای آزاد شده به منظور تغذیۀ سیال مبرد برگشتی از اواپراتورهای دما پایین بهره برد. به این صورت می‌بینید که از گرمای تولید شده در کمپرسور اول به شکل بهینه‌ای استفاده شده و هیچ هدررفت گرمایی وجود نخواهد داشت.
نحوه طراحی سیکل‌های تبرید تراکمی دو مرحله‌ای
حال که با ساختار کلی سردخانه‌های دو مرحله‌ای آشنا شدید، می‌توانیم به سراغ بررسی سیکل‌های تبرید تراکمی دو مرحله‌ای برویم. همین طور که آگاهی دارید، در سیکل‌های تبرید تراکمی عمل خنک سازی محیط به کمک یک سیال مبرد انجام می‌گیرد. سیال مبرد در مرحلۀ اول وارد کمپرسور شده، فشار و دمای آن بالا می‌رود. سپس جهت کاهش دمای سیال مبرد از یک کندانسور استفاده می‌شود. در این بخش از سیستم، فشار سیال مبرد ثابت باقی مانده و با عبور سیال از خط لولۀ مارپیچی کندانسور دمای آن کاهش پیدا می‌کند.
سومین مرحله در سیکل‌های تبرید تراکمی عبور سیال از یک شیر انبساطی یا همان فشار شکن است. به این شکل فشار سیال به یک باره افت پیدا کرده، دمای تبخیر آن نیز کاهش می‌یابد. در نتیجه سیال مبرد به ترکیبی از مایع و گاز تبدیل می‌شود. در مرحلۀ پایانی سیکل، سیال مبرد وارد بخش اواپراتور می‌گردد. هدف اصلی در اواپراتور دریافت گرمای محفظۀ سردخانه یا یخچال است. به شکلی که سیال مبرد نیاز به گرما دارد تا به طور کامل به حالت گازی تغییر فاز دهد. در نتیجه گرمای داخل محفظه را دریافت می‌کند.
این روندی است که به طور کلی در سیکل‌های تبرید تراکمی طی می‌شود. اما در سیکل‌های دو مرحله‌ای چه اتفاقی روی می‌دهد؟ به طور کلی می‌توان گفت که عمل فشرده سازی سیال مبرد در این سیکل‌ها در دو مرحله انجام می‌گیرد. در سردخانه‌های زیر صفری که نیاز به دمای عملکردی پایین‌تر وجود دارد، یکی از راهکارهای موجود استفاده از کمپرسورهای اسکرو است که می‌تواند نسبتاً فشار بالاتری ایجاد کند. اما استفاده از یک کمپرسور اسکرو تک مرحله‌ای به این شکل بازدهی سیکل تبرید تراکمی را پایین می‌آورد.
ضمن اینکه مصرف انرژی نیز در این گونه طراحی‌ها به شکل چشمگیری افزایش خواهد یافت. نکته‌ای که برای طراحی سردخانه‌های صنعتی به هیچ عنوان مطلوب نیست. به همین جهت یک کمپرسور دو مرحله‌ای( اسکرو یا سیلندری پیستونی) را جایگزین کمپرسورهای تک مرحله‌ای می‌کنند. به این شکل فشار سیال در دو مرحله افزایش می‌یابد و در بین این دو مرحله سعی می‌شود تا به کمک یک اینترکولر یا تزریق مجدد سیال مبرد دمای آن پایین آورده شود.
به طور کلی از دو نوع طراحی متفاوت برای ساخت سردخانه‌های دو مرحله‌ای استفاده می‌شود. که طراحی اول مخصوص سردخانه‌های آمونیاکی است و طراحی دوم به سردخانه‌های فریونی اختصاص دارد. در ادامه به بررسی هرکدام از این دو نوع طراحی خواهیم پرداخت.
طراحی سردخانه‌های دو مرحله‌ای امونیاکی
در سردخانه‌های آمونیاکی اغلب از کمپرسورهای رفت و برگشتی در طراحی سیکل‌های دو مرحله‌ای استفاده می‌شود. در این نوع از طراحی سیال مبرد در ابتدا وارد کمپرسور فشار پایین (LP) می‌گردد. در این مرحله هدف فشرده سازی نسبی سیال مبرد است. پس از اتمام این مرحله سیال به درون یک مخزن مایع ( سپراتور یا اینترکولر) با فشار میانی تخلیه می‌شود. به شکلی که دمای سیال افت کرده و گرمای کسب شده بر اثر فشرده سازی را از دست می‌دهد. مرحلۀ بعد فشرده سازی مجدد سیال مبرد است. کمپرسور دوم، کمپرسوری است که اصطلاحاً فشار بالا (HP) خوانده می‌شود.
سیال مبردی که وارد این کمپرسور می‌شود، پس از خروج به فشار مورد نظر رسیده و آمادۀ تخلیه به بخش کندانسور سیکل می‌گردد. ادامۀ مراحل سیکل به همان ترتیبی است که در سیکل‌های تبرید تراکمی یک مرحله‌ای طی می‌شود.
جهت ساخت سرخانه‌ای با دمای عملکردی منفی چهل درجه به کمک سیال مبرد آمونیاک، اگر از سیکل تبریدی دو مرحله‌ای استفاده شود، نسبت به سیستم‌های تک مرحله‌ای نزدیک به چهارده درصد در مصرف انرژی صرفه جویی به عمل خواهد آمد. ضمن اینکه طبق توضیحات ارائه شده در بخش‌های قبلی، سعی می‌شود تا در طراحی سیکل‌های دو مرحله‌ای از گرمای هدر رفته در بین کمپرسورهای فشار پایین و فشار بالا نیز به شکل بهینه‌ای استفاده شود.
طراحی سردخانه‌های دو مرحله‌ای فریونی
طراحی سردخانه‌های فریونی به کمک کمپرسورهای رفت و برگشتی ویا اسکرو صورت می‌گیرد. در سیکل‌های دو مرحله‌ای فریونی، فرایند کلی شبیه به همان سیکل آمونیاکی است؛ اما یک تفاوت اصلی دارد. اینکه برای خنک سازی سیال مبرد دیگر از مخزن مایع یا اینترکولر استفاده نمی‌شود، بلکه از پاشش سیال مبرد اضافه کمک گرفته می‌شود. مراحلی که سیال مبرد طی می‌کند به شرح زیر است:
- سیال مبرد در ابتدا وارد سیلندر یا کمپرسور اول شده فشار و دمای آن تا حد معینی بالا می‌رود.
- سیال مبرد خروجی از کمپرسور فشار پایین به کمک سیستم پاشش سیال مبرد اضافی خنک می‌شود.
- پس از آن نوبت به ارسال سیال مبرد به کمپرسور فشار بالا می‌رسد. در این مرحله فشار سیال تا حد مشخص شده افزایش می‌یابد.
- دیگر مراحل سیکل دو مرحله‌ای درست مانند سیکل‌های تک مرحله‌ای است. سیال مبرد وارد کندانسور شده، سپس از یک شیر فشار شکن عبور می‌کند و در نهایت نیز به اواپراتور می‌رسد.
در سیکل‌های دو مرحله‌ای فریونی بسته به نوع گاز مبرد، اگر هدف رساندن دمای سردخانه به منفی چهل درجه سانتیگراد باشد، بین پانزده تا بیست و چهار درصد نسبت به سیکل‌های تک مرحله‌ای در مصرف انرژی صرفه جویی به عمل خواهد آمد. برای مثال این عدد در استفاده از گاز مبرد R22 حدود پانزده درصد است. یا برای گاز مبرد R134A به حدود هجده درصد نیز می‌رسد.
آشنایی با کمپرسورهای دو مرحله‌ای
در ساخت سیکل‌های تبریدی دو مرحله‌ای مهم‌ترین جزء همان کمپرسور سیکل است که باید به شکلی طراحی شود که در دو فاز عملکردی فعالیت کند. کمپرسورهای دو مرحله‌ای طراحی شده می‌توانند از گازهای مبردی مانند R404A، R134A، R22، NH3 و … استفاده کنند. این سردخانه‌ها در صورتی که از گاز مبرد R404 استفاده کنند، می‌توانند سرمایشی تا منفی 60 درجۀ سانتیگراد نیز ایجاد کنند.
کمپرسورهای دو مرحله‌ای دارای دو نوع سیلندر متفاوت هستند. تعدادی از این سیلندرها اصطلاحاً فشار پایین (PL) بوده و تعدادی از سیلندرها نیز اصطلاحاً فشار بالا (HP) خوانده می‌شوند. به طور کلی می‌توان گفت که تعداد سیلندرهای فشار پایین باید بیشتر از سیلندرهای فشار بالا باشد. زیرا سیال مبردی که از اواپراتور تخلیه می‌شود، دارای چگالی پایین تر و در نتیجه دبی حجمی بیشتری خواهد بود. سیال مبرد خروجی از اواپراتور به درون سیلندرهای فشار پایین تخلیه می‌شوند. سپس فشار آن تا فشاری که فشار میانی خوانده می‌شود، بالا برده می‌شود.
این سیال مبرد باید از سیلندرهای فشار پایین خارج شده و سپس به درون سیلندرهای فشار بالا تزریق شود. اما در این بین لازم است سیال مبرد خنک گردد. هدف از این کار پایین آوردن دمای سیال مبرد است تا در مصرف انرژی سیکل تبریدی صرفه جویی به عمل آید. در سیکل‌های فریونی از پاشش مبرد مایع به داخل گاز فشرده شده کمک گرفته می‌شود. به این شکل گرمای گاز به مایع مبرد انتقال پیدا کرده و در نتیجه دمای کلی ترکیب پایین می آید. حال سیال مبرد خنک شده آمادۀ ورود به سیلندرهای فشار بالای کمپرسور شده و تا فشار مورد نظر تقطیر تراکمی افزایش می‌یابد.
جمع بندی
سردخانه‌های دو مرحله‌ای دسته‌ای از سردخانه‌های زیر صفری هستند که به منظور سرمایش در دماهای پایین‌تر مورد استفاده قرار می‌گیرند. در سیکل‌های تبریدی که هدف ایجاد دمای تبخیری بسیار پایین است، به خاطر نیاز به تراکم بیشتر کمپرسور در نتیجه دمای سیال مبرد خروجی از کمپرسور به شکل چشمگیری افزایش یافته و باعث افزایش مصرف انرژی در سیکل‌های تبریدی می‌شود. به همین خاطر است که از کمپرسورهای دو مرحله‌ای جهت فشرده سازی سیال مبرد استفاده می‌شود. به شکلی که سیال مبرد خروجی از اواپراتور وارد کمپرسورهای فشار پایین شده، فشار آن تا حد مشخصی بالا می‌رود.
سپس به کمک یک فرایند میانی دمای سیال مبرد کاسته شده و آمادۀ ورود به مرحلۀ دوم فشرده سازی سیال می‌شود. به کمک این سردخانه‌ها می‌توانید دمای سیال مبرد را تا حد منفی شصت درجۀ سانتیگراد نیز کاهش دهید. سیکل‌های دو مرحله‌ای در دو نوع سیکل‌های تبریدی آمونیاکی و سیکل‌های تبریدی فریونی طراحی می‌شود. به کارگیری سردخانه‌های دو مرحله‌ای بسته به نوع سیال مبرد می‌تواند باعث صرفه جویی چهارده تا بیست و چهار درصدی در مصرف انرژی کل سیکل شود.
