چیلر جذبی

چیلر دستگاهی براساس سیکل تراکم بخار میباشد ، که به واسته مبدلی حرارتی برودت شکل گرفته شده را با سیالی عامل ( معمولا آب ) منتقل میکند.چیلر ها برحسب مکنیزم به دو دسته چیلر تراکمی و چیلر جذبی تقسیم میشوند.در این مقاله سعی داریم با چیلر جذبی آشنا شویم.

پیشینه چیلر جذبی

میشل فارادای در سال 1824 در حین یک آزمایش به طور اتفاقی با سرمایش جذبی آشنا شد. دستگاه تبریدی که در سال 1927 توسط چندین دانشمند بزرگ از جمله آلبرت انیشتین تحت مطالعه و تکامل قرار گرفت تا اینکه در سال 1939 اولین چیلر جذبی گازسوز توسط شرکت کریر ساخته شد.

انتخاب چیلرهای جذبی در موارد زیر بیشتر مورد توجه قرار می گیرد:

امکان تامین برق برای چیلرهای تراکمی وجود نداشته باشد.

آب به مقدار کافی و با خصوصیات قابل قبول وجود داشته و با مشکل کم آبی مواجه نباشیم.

سوخت های فسیلی مانند گاز یا گازوئیل در محل نصب چیلر، به آسانی قابل دسترسی باشد.

رطوبت نسبی هوای منطقه به جهت عملکرد کولینگ تاور یا برج خنک کننده بالا نباشد.

مکانیزیم عملکرد چیلر جذبی

• ابتدا ترکیبی از آب و لیتیوم بروماید (معمولاً 60% لیتیوم بروماید و 40% آب) توسط پمپ سلوشن (محلول) یا پمپ ژنراتور، از قسمت جاذب یا ابزوربر مکیده شده و پس از عبور از مبدل حرارتی به درون ژنراتور پمپ می شود. در نتیجه داخل مخزن ژنراتور، سطح محلول آب و لیتیوم بروماید افزایش می یابد که این مسیر مابین ابزوربر تا تانک ژنراتور به خط محلول رقیق (Weak solution line) نیز معروف است؛ چراکه ترکیبی از آب و لیتیوم بروماید در آن جریان دارد  و غلظت ماده لیتیوم بروماید کم است. البته در برخی منابع معتبر دیگر نظیر شرکت TRANE، این خط را با نام محلول نیمه غلیظ معرفی کرده اند و دلیل آن هم ترکیب ماده جاذب غلیظ ارسالی از سمت ژنراتور با ماده جاذب رقیق در کف محفظه جاذب است.
• در مرحله بعد، باید انرژی گرمایی را به مخزن ژنراتور که دارای محلول یا ترکیب ماده مبرد (آب) و جاذب (لیتیوم بروماید) می باشد منتقل کنیم. منبع این گرما می تواند از طریق یک شعله مستقیم گازی مانند مشعل یا به کمک آب گرم موتورخانه و یا حتی از انرژی گرمایی تلف شده ای تأمین شود. یک شیر کنترلی به نام Steam/hot water valve می تواند میزان آب داغ یا بخار ورودی به داخل ژنراتور را بر اساس دمای آب خروجی از اواپراتور کنترل کند.
• زمانی که انرژی گرمایی را به مخزن ژنراتور منتقل کردیم، سبب می شود که آب از ترکیب محلول آب و لیتیوم بروماید بواسطۀ فرآیند تبخیر جدا شود. این امر سبب غلیظ شدن لیتیوم بروماید شده و آب موجود در محلول به صورت بخار آب از آن جدا می گردد. لازم است توجه داشته باشیم که این انتقال گرما به وسیله بخار یا آب گرم توسط یک کویل انجام می شود و به هیچ عنوان با محلول موجود در ژنراتور ترکیب نمی شود. در واقع نیت تنها انتقال گرما به ترکیب موجود در محلول ژنراتور می باشد.
• زمانی که آب موجود در مرحله قبل بخار می شود، لازم است به وسیله یک کندانسور یا همان چگالنده، مجدداً به حالت مایع تبدیل شود؛ چراکه اگر این اتفاق صورت نگیرد مصرف آب به شدت بالا می رود و هدف ما از تبخیر آبِ محلول موجود در ژنراتور صرفا غلیظ نمودن لیتیوم بروماید و جدا کردن آب از محلول به منظور عملکرد صحیح سیکل تبرید جذبی است. اینگونه لیتیوم بروماید با غلظت بالا در کف ژنراتور انباشته شده و بخار آب نیز به سمت کندانسور هدایت می شود.

          به منظور ایجاد فرآیند چگالش در سیکل جذبی، معمولاً از یک کولینگ تاور یا برج خنک کننده استفاده می شود. یعنی کندانسور داخل پوسته فوقانی چیلرهای جذبی را به یک برج خنک کننده متصل می کنند تافرآیند چگالش انجام گیرد. توجه شود که آب ارسالی به داخل کندانسور (کویل) آب بند هست و به هیچ عنوان با محلول موجود در ژنراتور ترکیب نمی شود. زمانی که بخار آب توسط کندانسور به مایع تبدیل می شود در قسمت مخزن یا کف کندانسور انباشته می شود. جالب است بدانید که در داخل جاذب یا ابزوربر نیز کویلی وجود دارد که جریان آب خروجی از برج خنک کننده از آنجا نیز عبور می کند که در مراحل بعدی علت را توضیح می دهیم.

• لیتیوم بروماید غلیظ شده در کف ژنراتور به سمت مخزن جاذب یا ابزوربر هدایت می شود. توجه کنید که در مرحله قبل به محلول گرما داده بودیم و در این مرحله لیتیوم بروماید نیز گرم بوده و به همین دلیل در مسیر برگشت به سمت ابزوربر از مبدل حرارتی عبور می کند تا کاهش دما نیز داشته باشد.

در نتیجه مبدل حرارتی به جریان محلول رقیق از سمت جاذب به سمت ژنراتور گرما وارد می کند و از جریان لیتیوم بروماید غلیظ شده در مسیر برگشت از ژنراتور به سمت جاذب، گرما می گیرد. چون این فرآیند های گرما دهی و گرماگیری در مسیر کارکرد ژنراتور و اواپراتور است، باعث افزایش راندمان چیلر جذبی می شود.

• محلول غلیظ شده لیتیوم بروماید از طریق نازل هایی به درون جاذب پاشیده و مجدداً با آب ترکیب می شود و این چنین سیکل فوق دائم تکرار می گردد.
• در مرحله چهارم توضیح دادیم که کویلی در داخل جاذب یا ابزوربر وجود دارد که آب خروجی از کولینگ تاور از آنجا نیز عبور می کند و سپس به سمت کندانسور در پوسته بالایی می رود. علت وجود این کویل خنک کننده در ابزوربر این است که در محفظه جاذب به علت وجود لیتیوم بروماید غلیظ، ذرات آب تبخیر شده در اواپراتور با شدت بالایی جذب می شوند و خود فرآیند جذب ذرات آب توسط لیتیوم بروماید غلیظ با حرارت همراه است و این گرمای ناشی از جذب شیمیایی را توسط کویل موجود در ابزوربر می توان از بین برد. این کار باعث افزایش راندمان چیلر جذبی می شود؛ چراکه هر چقدر ماده لیتیوم بروماید غلیظ تر و سردتر باشد قدرت جذب بالاتری خواهد داشت. البته این کاهش دما باید تا حدی باشد که مشکل تبلور یا کریستالیزاسیون رخ ندهد. در ادمه مشکل کریستالیزاسیون در چیلرهای جذبی را نیز توضیح داده ایم.
• آب جمع شده در سینی کندانسور و در قسمت فوقانی به وسیله لوله ای به اواپراتور منتقل شده و توسط نازل هایی در اواپراتور تخلیه می گردد. به دلیل اینکه در اواپراتور فشار حدود 0.01bar است، این اختلاف فشار ناگهانی باعث می شود آب ورودی در دمای پایین حدود 4.5 درجه سانتی گراد تبخیر شده و گرمای اطراف را به خود جذب می کند. در این هنگام اگر آب مورد استفاده در تهویه مطبوع ساختمان مانند آب خروجی از هواساز یا فن کویل ها را بتوانیم به وسیله یک کویل از داخل اواپراتور عبور دهیم، می توانیم آب سرد مورد نیاز را با دمای حدود 6 الی 7 درجه سانتی گراد تامین کنیم. در واقع آب خروجی از هواساز یا فن کوئل ها که دمایی حدود 12 درجه ساتنی گراد دارد، گرمای موجود در ساختمان را جذب و با خود حمل می کند که ما موفق می شویم این گرما را در داخل اواپراتور چیلرهای جذبی دفع کنیم و مجدد آب سرد را به سمت مصرف کننده ها یا همان فن کویل ها هدایت کنیم و این سیکل تا زمانی که فرآیند سرمایش نیاز است تکرار می شود. توجه داشته باشید که تحت هیچ شرایطی این دو جریان آب با هم ترکیب نمی شوند و تنها فرایند انتقال حرارت است که مابین این دو جریان اتفاق می افتد. شیر بخار یا آب داغ می تواند بر اساس دمای آب خروجی از اواپراتور میزان گرمای ورودی به ژنراتور را کنترل کند. بطوری که با کاهش دمای آب، میزان گرمای ورودی به ژنراتور را کم کرده و با افزایش دما، بالعکس، گرمای بیشتری را به سمت ژنراتور هدایت می کند.
• ممکن است تمام آب هایی که از کندانسور به سمت اواپراتور هدایت می شوند نتوانند 100% تبخیر شوند، لذا یک سینی در زیر اواپراتور وجود دارد که محل جمع آوری این آب هاست. این آب را می توان به وسیله پمپی که به نام پمپ مبرد معروف است، مجددا سیرکوله کرده و آن را بر روی سطح اواپراتور پاشید. این سیکل دائم تکرار شده و باعث می شود همیشه در محفظه اواپراتور بخار آب و ذرات آب معلق وجود داشته باشد.

همانطور که گفتیم، محفظه اواپراتور و محفظه جاذب یا ابزوربر در داخل یک پوسته ساخته می شوند؛ به همین علت مایع غلیظ لیتیوم بروماید که در حال پاشش در محفظه ابزوربر هست (رجوع کنید به مرحله 4) این ذرات و بخار آب موجود در محفظه اواپراتور را با شدت بالایی شبیه به نیروی مغناطیس جذب خود می کند. این نیروی کشش ذرات آب توسط مایع غلیظ لیتیوم بروماید آنقدر زیاد ست که سبب ایجاد وکیوم در داخل محفظه اواپراتور می شود. هر چقدر غلظت لیتیوم بروماید بیشتر باشد این نیروی جذب بیشتر شده و مقدار وکیوم نیز بیشتر خواهد بود.

این کشش همچنین باعث جذب ذرات آب و حل شدن آن در لیتیوم بروماید نیز می شود که خود این فرآیند کمی با تولید گرما همراه خواهد بود؛ به همین دلیل در مرحله 4 اشاره کردیم که یک کویل خنک کننده در داخل ابزوربر نصب می شود که می تواند به وسیله آب سرد کولینگ تاور دمای ذرات آب و لیتیوم بروماید را کاهش دهد تا اینگونه در اثر گرمای ناشی از ترکیب، دو ماده به بخار تبدیل نشوند و بتوان دوباره در حالت مایع از آن ها در سیکل جذبی استفاده نمود. اکنون در این مرحله مجددا در ابتدای مرحله 1 قرار می گیریم و سیکل جذبی تمام مراحل فوق را تکرار می کند.

چیلر جذبی دو اثره

چیلر جذبی یکی از دیگر تجهیزات صنعت تهویه مطبوع در ساختمان‌ها می‌باشد که با استفاده از آب مقطر و لیتیوم بروماید موجب تولید سرما می‌شود. در ادامه با نحوه‌ی عملکرد چیلرهای جذبی آشنا می‌شویم.

اجزای تشکیل دهنده‌ی چیلر جذبی کندانسور، ژنراتور، اواپراتور جذب کننده، پمپ و برج خنک کن می‌باشد. در چیلرهای جذبی از آب به عنوان مبرد و از محلول لیتیوم بروماید به عنوان جاذب استفاده می‌شود. روش کار به این صورت است که آب سرد مورد نیاز وارد بخش اواپرتور شده و به علت فشار پایین داخل پوسته اواپراتور، آب میرد در دمای پایین تبخیر شده و دمای آب سرد مورد مصرف را پایین می‌آورد آب تیخیر شده وارد بخش جاذب شده و بخار آب آن توسط محلول جاذب جذب می‌آورد. آب تیخیر شده وارد بخش جاذب شده و بخار آب آن توسط محلول جاذب جذب شده و در قسمت ژنراتور دستگاه تبخیر شده و پس از تقطیر مجددا به چرخه‌‌ی تبرید باز می‌گردد. لازم به ذکر است که محلول جاذب در بخش جاذب دستگاه توسط آب خنک کننده‌ای که از برج خارج می‌شود به دمای پایین‌تر رسیده و همچنین بخار آب تبخیر شده در ژنراتور توسط همان آب خنک کننده تقطیر می‌شود. آب خنک کننده مجددا به سمت برج رفته تا دمای آن کاهش یافته و مجددا به سمت جاذب و کندانسور باز گردد.

چیلرهای جذبی در حالت کلی راندمان پایینی دارند و صرفا در موارد خاصی که می‌توان از آن‌ها استفاده نمود، به کار گرفته می‌شوند. مثلا در مکان‌هایی که بخار داغ قرار است به هوای خارج تخلیه گردد، می‌توان از آن بخار داغ در یک چیلر جذبی استفاده نموده تا آب سرد مورد نیاز نیز تولید گردد.

در چیلرهای جذبی دو اثره به دلیل آنکه بخشی از بخار آب موجود در ژنراتور دما پایین، مجدداً بخشی از گرمای خود را به محلول نیمه رقیق جهت تغلیظ بیشتر ماده جاذب منتقل می کند، به انتقال حرارت کمتری برای تقطیر در کندانسور نیاز دارد. در نتیجه ظرفیت کولینگ تاور یا برج خنک کننده در چیلرهای جذبی دو اثره کم تر از چیلرهای تک اثره است.

چیلر جذبی شعله مستقیم

چیلر جذبی شعله مستقیم دارای دو امتیاز بزرگ نسبت به سایر چیلرهای جذبی می باشد . اول این اینکه نیازی به مولد گرمایی جداگانه ندارند و از این لحاظ خودکفا هستند. دوم اینکه به دلیل در اختیار داشتن سیستم احتراق ، امکان استفاده از آن ها  در هر دو فصل تابستان و زمستان، به منظور سرمایش و گرمایش وجود دارد که این عوامل باعث کاهش چشم گیر سطح موتورخانه و لوله کشی ها و انواع دیگ های گرمایش می شود. ظرفیت چیلرهای دایرکت فایر عموما براساس ظرفیت سرمایش انتخاب می شوند. و جهت انتخاب ظرفیت گرمایش  به نحوی است که در مناطق سردسیر و معتدل مقرون به صرفه و منتطقی نبوده است. همچنین با توجه به استهلاک بالا، در صورت استفاده دو فصلی هزینه نگهداری و راهبری بالا آن ها ، استفاده از چیلر ابزوربشن به صورت دو فصلی چندان اقتصادی نمی باشد.

امروزه انواع چیلر جذبی شعله مستقیم یا دایرکت فایر به صورت چیلر جذبی دو اثره ساخته می شوند  و بر همین اساس به خودی خود شامل تمام مزایا و معایب چیلرهای دو اثره می¬ شوند و در عین حال چیلرهای دو اثره دارای سه الگوی جریان، با عنوان سری ، موازی و موازی معکوس می باشند. که به صورت تکمیلی می پردازیم . ضریب بهره چیلرهای جذبی شعله مستقیم دو اثره، در بهترین شرایط به مقدار ۱٫۲ می رسد که از این لحاظ برتری قابل توجهی نسبت به چیلرهای یک اثره دارد.

تفاوت چیلر جذبی و تراکمی

چیلرهای جذبی با توجه به نوع ماده مبرد و همین طور عدم استفاده از وسیله مکانیکی هم چون کمپرسور در ظرفیت های برابر از چیلرهای تراکمی کم حجم تر هستند و جای کمتری اشغال می کنند اما در قالب یک دستگاه واحد می تواند تا ۱۵۰۰ تن تبرید ظرفیت آن باشد. در حالی که در یک چیلر تراکمی با کمپرسور سیلندر پیستونی که حداکثر تا ۳۰۰ تن تبرید است. بنابراین در پروژه های بزرگ که به تامین نیاز زیاد ظرفیت سرمایشی وجود دارد ، چیلر های جذبی در مجموع حجم کمتری را اشغال می کند مثلا در پروژه ای با نیاز سرمایش ۲۰۰۰ تن تبرید بهتر است از دو چیلر جذبی با ظرفیت ۱۰۰۰ تن تبرید استفاده نمود در مقایسه با ده عدد چیلر تراکمی، طبیعی است سطح اشتغال فضا ده عدد چیلر تراکمی به مراتب کمتر است نسبت به دو چیلر جذبی می باشد اما تعدد چیلر مزایا خاص خود را دارد در بارهای جزیی، امکان کنترل بهتر از مزایای آن است . با توجه به اینکه چیلر برای بدترین شرایط گرمایی انتخاب می شود. بنابراین در مواقعی غیر از اوج بار ، مصرف به صورت جزیی می باشد و با استفاده از کنترل چیلر به صورت موردی و یا خاموش شدن کمپرسور می توان کنترل ظرفیت دقیق تری انجام داد؛ هر چند کنترل ظرفیت برای چیلرهای جذبی و تراکمی میتواند به صورت موردی نیز انجام گردد. اما دامنه عملکرد به طور قطع مطابق نقطه عملکرد سیستم نخواهد بود.

در هر حال باید بین کلیه این موارد یعنی همچون سطح اشتغال، روش کنترل در بار جزیی و سرمایه اولیه و هزینه های تعمیر نگهداری باید به نقطه بهینه رسید و به طور مطلق نمی توان هیچ یک از این معایب و مزایا را به تنهایی  دستمایه اتخاذ تصمیم قرار داد.

چیلرهای تراکمی به واسطه کار مکانیکی کمپرسور دارای سروصدا و ارتعاشات و لرزش زیاد می باشند، در حالی که در چیلرهای جذبی در مقایسه چیلرهای تراکمی ساکت تر هستند؛ که در برخی کاربردهای خاص در صورتی محل موتورخانه باید از آلودگی های صوتی دور باشد باید نوع چیلر در نظر گرفته باشد.

اساسی­ترین فرق بین چیلر جذبی و تراکمی در سیال عامل و نحوه تراکم مبرد در هر یک است. برخلاف چیلر تراکمی که سیال عامل فقط مبرد است، در چیلر جذبی سیال عامل از یک مبرد و یک جاذب تشکیل شده است. مبرد چیلر جذبی، ماده­ای است که ذاتاً در دماهای پایین تمایل به حل شدن در جاذب را دارد و در دماهای بالا تبخیر شده و از آن جدا می­شود. در ادامه 14 تفاوت اصلی چیلر تراکمی و جذبی مورد بحث قرار می‌گیرد.

نحوه تراکم مبرد

اگر در سیستم تراکمی بخار به جای کمپرسور، یک ژنراتور و یک جذب کننده (ابزوربر) قرار دهیم، یک سیستم جذبی ساده خواهیم داشت. چرخه­ها و تفاوت چیلر جذبی و تراکمی را نشان می­دهد. ژنراتور، جذب کننده و پمپ، فشار مبرد تبخیر شده در اواپراتور را به فشار کندانسور می­رسانند. همانطور که بیان شد عمده تفاوت چیلر جذبی و تراکمی در نحوه تبدیل مبرد مایع به بخار می­باشد که در سیستم تراکمی بخار با یک عملیات مکانیکی توسط کمپرسور اما در سیستم جذبی توسط جذب کننده و ژنراتور انجام می­شود. این موضوع در شکل زیر به خوبی قابل مشاهده است.

توان مصرفی تجهیزات

در چیلر تراکمی، کمپرسور بیشترین توان مصرفی را دارد در حالیکه در چیلر جذبی، پمپی که محلول را پمپاژ می­کند این شرایط را دارد.

تغییر توان مصرفی

با افزایش ظرفیت تبرید در سیستم تبرید تراکمی توان کمپرسور نیز باید افزایش یابد اما در تبرید جذبی با افزایش ظرفیت تبرید، تغییر چشمگیری در پمپ نیاز نخواهد بود.

نوع انرژی مصرفی

چیلر جذبی بر اساس حرارت اتلافی یا اضافی موجود در محل عمل می­کند. حرارت اضافی یا تولیدی بویلر، موتور دیزل، آبگرم تولیدی آبگرمکن خورشیدی و … می­توانند منابع انرژی ایده­آلی برای یک سیکل تبرید جذبی باشند. در صورت نبود این منابع نیز می­توان به طرق دیگر، آبگرم یا بخار مورد نیاز را تولید کرد. در چیلر تراکمی، کمپرسور فقط با جریان الکتریسیته کار می­کند.

در چیلر جذبی پمپ مصرف کننده عمده برق می­باشد که در مقایسه با کمپرسور مصرف ناچیزی دارد. چون میزان مصرف انرژی کمپرسور چیلر تراکمی زیاد است و فقط با برق کار می­کند و با توجه به بالا بودن قیمت برق، هزینه انرژی نیز در این سیکل بالا است.

زیرساخت­های مورد نیاز و آلودگی صوتی

کمپرسور سیکل تراکم بخار با سرعت و صدای زیادی کار می­کند که به سبب ایجاد لرزش به یک فونداسیون مستحکم نیاز است اما در نقطه مقابل در تجهیزات سیکل جذب بخار چنین قطعات متحرکی وجود ندارد که نتیجه آن سر و صدای کم و عدم نیاز به زیرسازی ویژه است.

تعمیرات و نگهداری

در چیلر تراکمی، کمپرسور یک وسیله حیاتی می­باشد که به دلیل وجود قطعات متحرک با سرعت بالا نیازمند روانکاری، خنک کاری و تعویض قطعات بصورت دوره­ای است. کمپرسور بسیار سنگین و گران قیمت است و خرابی آن می­تواند به اجزای دیگر سیکل مثل شیرهای مکش و دهش آسیب رساند.

کنترل ظرفیت سیستم

در چیلر جذبی، امکان به صفر رساندن مصرف انرژی در حالت عدم وجود بار، موجود است در حالی که حتی با وجود فناوری­های جدید سیکل تبرید تراکمی اینگونه نیست.

اثر گلخانه­ای مبرد

برخی از مبردهای مورد استفاده در سیکل تبرید تراکمی (CFC) موجب تولید اثر گلخانه­ای و آسیب لایه ازون شده­اند اما مبردهای تبرید جذبی چنین اثری ندارند.

هزینه اولیه

اگر چه هزینه عملکرد سیکل تبرید جذبی نسبت به نوع دیگر آن پایین تر است اما هزینه­های اولیه راه اندازی آن بسیار بیشتر است.

سمی بودن آمونیاک

آمونیاک که به عنوان مبرد در چیلر جذبی به کار می­رود، سمی است و حتی استنشاق آن نیز می­تواند موجب مسمومیت و حتی مرگ شود. البته معمولا چیلرهای آمونیاکی مصارف صنعتی دارند اما در صورت عدم توجه می­توانند خطرناک باشند.

خورندگی مبرد

لیتیم بروماید و آمونیاک سبب ایجاد خوردگی در اجزای سیکل می­شوند که نتیجه آن کاهش عمر سیستم است.

فشار کاری پایین

فشار کاری پایین در چیلر جذبی به خصوص در سیستم لیتیم بروماید موجب شده تا آب بندی سیستم بگونه­ای تعبیه شود تا از نفوذ هوا به داخل سیستم تبرید جلوگیری کند.

ضریب عملکرد

ضریب عملکرد سیستم تبرید جذبی دو مرحله­ای لیتیم بروماید 1.1 است در حالی که سیستم تبرید تراکمی مورد استفاده در کاربرد تهویه مطبوع ضریب عملکردی بین 4 و 5 دارد. می­توان این گونه بیان کرد که در این مورد استفاده از چیلر جذبی هنگامی موجه است که هزینه انرژی حداقل یک چهارم چیلر تراکمی باشد.