چیلرهای جذبی

چیلرهای با کمپرسور تراكمی از انرژی الكتریكی و چیلرهای جذبی از انرژی حرارتی به عنوان منبع اصلی برای ایجاد سرمایش استفاده می كنند. ویژگی برجسته سیستم چیلر جذبی این است كه این سیستم تبرید فقط به مقدار اندكی كار نیازمند است، زیرا فرایند پمپ كردن فقط برای مایعات صورت می گیرد.

به دلیل مصرف انرژی الکتریکی بیشتر چیلرهای تراکمی ( چیلرهای کمپرسوری)، امروزه چیلرهای جذبی از استقبال خوبی در میان مهندسین مشاور و صاحبان ساختمانهای مسکونی و اداری برخوردار شده اند. به دلیل وجود قطعات متحرک کمتر در چیلرهای جذبی نسبت به چیلرهای تراکمی و با توجه به ماهیت چرخشی کار پمپهای مورد استفاده در آنها، میزان خرابی و هزینه های مربوط به تعمیر و نگهداری آنها کمتر و همچنین ارتعاش آنها بسیار کمتر از چیلرهای تراکمی است و تقریباً بدون لرزش هستند.

علاوه بر موارد ذکر شده، با توجه به هزینه های جانبی از جمله هزینه مربوط به خرید امتیاز برق و همچنین هزینه های جاری چیلر تراکمی، چیلرهای جذبی از نظر اقتصادی نیز دارای مزیت قابل توجهی هستند.

از زمان ابداع سیکل مربوط به چیلرهای جذبی تاکنون، چیلرهای جذبی گوناگونی ساخته شده اند. آمونیاک به عنوان ماده جاذب در چیلرهای جذبی اولیه استفاده می شد که در سالهای بعد به علت سمی و خورنده بودن آمونیاک، با لیتیم برماید جایگزین شد. مشكل عمده­ لیتیم بروماید به عنوان ماده جاذب در چیلرهای جذبی، كریستالیزاسیون (در اثر غلظت خیلی زیاد یا افت دمای شدید) است. علاوه بر این سیال مبرد سیستم هایی با جاذب لیتیم بروماید، آب است كه در دمای پایینتر از صفر درجه سانتیگراد منجمد می شود و مسیر جریان را مسدود می كند. لذا این سیستم­ها قابل استفاده در دماهای خیلی پایین نیستند و از این نظر محدودیت دارند. امروزه سیستم هایی با جاذب جامد مانند سلیكاژل نیز مورد مطالعه قرار گرفته و در حال پیشرفت اند.

همانطور كه اشاره شد در چیلرهای جذبی برای به حركت درآوردن سیال عامل از انرژی حرارتی استفاده می شود . این انرژی حرارتی می تواند توسط بخارآب، آب داغ ناشی از احتراق مستقیم سوخت و یا انرژی خورشیدی تأمین گردد. فناوری تبرید جذبی روشی عالی برای تهویه مطبوع مركزی در تأسیساتی است كه ظرفیت دیگ بخار اضافی دارند و می توانند بخار یا آب داغ مورد نیاز برای راه اندازی چیلر را تأمین نمایند چیلرهای جذبی قادربه تولید 2 تا 1200 تن برودت هستند. البته قابل ذكر است كه برخی از تولید كنندگان ژاپنی موفق شده اند چیلرهای جذبی با ظرفیت معادل 5000 تن نیز تولید كنند.

• مبانی و طرزکار چیلرهای جذبی(چیلرهای ابزرپشن)

اگر داخل بالن شیشه­ ای مقداری آب مقطر ریخته شود و سپس با درپوش و اتصالات مناسب به وسیله پمپ خلأ، خلأ ایجاد شود، باتوجه به دمای محیط، در درجه­ای از فشار (وکیوم نسبی) آب داخل بالن شروع به جوشیدن می­کند. (بدون اینکه چراغ یا هیتری جهت گرم کردن ظرف به کار گرفته باشیم) و نهایتاً بعد از چند لحظه جداره ظرف کاملاً سرد خواهد شد. اساس چیلرهای جذبی را می­ توان با آزمایش فوق (‏شکل 1) شرح داد.

شکل 1. اساس کار چیلرهای جذبی

براساس آزمایش فوق چند اصل فیزیکی و نهایتاً تولید برودت قابل توضیح است.

پدیده جوشش آب در شرایط عدم وجود شعله و هیتر :

پدیده جوش (تغییر فاز از مایع به بخار) به دما، فشار و ساختار مولکولی ماده بستگی دارد. به عنوان مثال آب خالص(H₂O) در فشار 1 اتمسفر در 100 درجه سانتی­گراد به جوش می­آید. با تغییر یافتن فشار، در فشار 2 اتمسفر آب در دمای 120درجه به جوش می آید ( مشابه آنچه در دیگهای زودپز رخ می­دهد) عکس این عمل نیز رخ می­دهد، به طوری که با کاهش فشار در یک ظرف به وسیله پمپ واکیوم و حرکت از فشار اتمسفریک به سمت فشار کمتر، دمای وقوع پدیده جوشش کاهش می­یابد. به طور مثال، در فشار 0.5 اتمسفر، آب در 81 درجه سانتیگراد به جوش می آید. و در صورت کاهش بیشتر فشار تا 6 میلیمتر جیوه (حدود یک صدم فشار جو) آب با دمایی نزدیک به 6 درجه به جوش می آید. این خاصیت در مایعات مختلف متفاوت است، بطوریکه برای مایع آمونیاک، مایع الکل و مایع فریونهای مختلف هر کدام در فشار معین اتفاق می ­افتد.

توجیه فیزیکی کاهش دما در اثر فرایند تبخیر و کاهش دمای جداره ظرف حاوی سیال:

بر اساس آنچه که شرح داده شد با رسیدن دمای آب به 100 درجه سانتیگراد، آب تبخیر می­شود، اگر حین تبخیر عامل گرمایش (چراغ یا هیتر) خاموش شود فرآیند تبخیر متوقف می­گردد، بدین ترتیب مشخص است که فرآیند تبخیر نیاز به دریافت انرژی دارد (فرآیند گرماگیر)، این در حالی است که این فرآیند می تواند در فشار های مختلف رخ دهد (فشار بالاتر از اتمسفر در دیگ زودپز و فشار پایین تر از اتمسفر در ظرف وکیوم شده مورد آزمایش یا چیلرهای جذبی). علاوه بر مطالب بیان شده باید توجه داشت که هر جسم می تواند برای جسم سردتر خود مولد گرما باشد. مثلاً آب 10 درجه سانتیگراد که از طریق لوله های آب چیلد وارد چیلر جذبی می­شود، می­تواند تأمین کننده گرمای نهان تبخیر آب مقطر داخل چیلر جذبی (به علت پایین بودن فشار) باشدو در اثر این گرمادهی دمای خود آب چیلد کاهش می­یابد و مثلاً به 6 درجه سانتیگراد می رسد (مشابه با آنچه در چیلر جذبی آب و لیتیوم اتفاق می­افتد) که در پروسه­های صنعتی فن کوئل­ها جهت خنک نمودن هوا استفاده می شود.

آزمایش فوق بیان کننده اساس کار چیلرهای جذبی آب و لیتیوم برماید است. به طوری که بالن مورد استفاده در این آزمایش مانند اواپراتور در چیلرهای جذبی عمل می­کند. در قسمت اواپراتور چیلرهای جذبی که آب سرد جهت مصارف برودتی استفاه می شود خلأ یا فشار واقعی حدود 4 الی 6 میلی­متر جیوه است. آب فقط تحت این فشار به عنوان مبرد تبخیر می­شود و گرمای نهان تبخیر را از آب جاری در لوله های اواپراتور دریافت می­کند و در نتیجه آن را سرد می­کند. در قسمت جاذب (Absorber)، لیتیوم برماید جذب می­شود و مانع افزایش فشار داخل اواپراتور می­گردد. محلول لیتیوم برماید، با جذب بخار آب رقیق شده و به سمت ژنراتور هدایت می گردد و در آنجا به وسیله بخار یا آب داغ در جریان داخل لوله­های غلیظ می­گردد. برای جذب مجدد، بخار راهی قسمت جاذب شده، بخار جدا شده کندانس می­شود و به اواپراتور باز­می گردد (‏شکل 2)

شکل 2. نحوه کار چیلرهای جذبی

  انواع چیلرهای جذبی

•    چیلرهای آب گرم ضد کریستال
•    چیلرهای جذبی یک مرحله­ ای (Single Effect)

در این چیلرها برای گرم کردن محلول لیتیوم برماید رقیق شده و جداسازی بخار آب از آن از بخار، آب داغ یا آب گرم استفاده می شود.

•     چیلرهای جذبی دومرحله ­ای(Double Effect)

استفاده از چیلرهای جذبی دومرحله ­ای به علت داشتن ضریب عملکرد بالاتر نسبت به چیلرهای جذبی تک­ مرحله­ ای است.

•     چیلرهای شعله مستقیم (Direct Fire)

چیلرهای شعله مستقیم دارای دو سیکل گرمایی و سرمایی هستند. سیکل سرمایی این چیلرها شبیه سیکل چیلرهای دومرحله­ ای است با این تفاوت که حرارت مورد نیاز ژنراتور توسط یک مشعل تأمین می­ شود.

چیلرهای شعله مستقیم خود به دو دسته تقسیم می شوند:

• چیلر یکپارچه محلی (با مشعل اتمسفریک)
• چیلر سیلیکاژلی

  فرآیند تبلور (crystallization)

این پدیده ناشی از افت شدید دما و افزایش غلظت محلول لیتیوم برماید در مسیر خروجی محلول غلیظ از مبدل دما پایین (بیشترین غلظت و کمترین دما) صورت می _­­گیرد. بدین معنی که حالت محلول لیتیم برماید تابع دما و غلظت آن است.

کشیده شدن سیستم به سمت کریستال می­تواند ناشی از دو حالت در چیلر باشد:

الف-در صورتی که دمای آب برج خنک کننده به حدی افت کند که سبب کاهش شدید درجه حرارت محلول رقیق خروجی از جذب کننده گردد (absorber) ، کاهش دما سبب کاهش شدید دمای محلول غلیظ وارد شونده از ژنراتور به هر کدام از مبدل­ها می­شود. در محل خروج محلول غلیظ از مبدل دما پایین، کاهش دما به حداکثر می رسد که با­توجه به غلظت آن به کریستال شدن منجر می گردد. در اینصورت لازم است حتماً در مورد کنترل دمای آب برج خنک کننده اقدام مؤثر نظیر نصب شیر سه راهه و بای­پاس­های دستی و یا خاموش و روشن نمودن فن برج به عمل آید.

ب- در اثر افزایش فشار داخل چیلر به علت نشتی که باعث افزایش نقطه جوش مبرد می­گردد، چیلر قادر نخواهد بود که دمای آب چیلد را در حد مطلوب پایین آورد و سنسور کنترل دمای خروجی آب چیلد فرمان HI بودن مشعل را فراهم می­سازد و افزایش میزان بخار سبب جدا شدن بیشتر مبرد از محلول می­گردد. افزایش غلظت محلول خروجی از ژنراتور تداوم می­یابد، در حالی که شرایط تبخیر مبرد در اواپراتور و جذب آن توسط لیتیوم برماید به خاطر وجود نشتی در چیلر کاملاً از بین رفته و نهایتاً افزایش غلظت به کریستالیزاسیون ختم خواهد شد که در این صورت باید نسبت به رفع نشتی و کاهش فشار داخل چیلر و ایجاد وکیوم کافی اقدام شود.

  چیلرهای جذبی خورشیدی (سیستم چیلرهایی که با گرمای خوشید کار می کنند-SHDC)

سیكل تبرید جذبی اساس كار چیلرهای خورشیدی است. دراین سیكل، گرمای مورد نیاز ژنراتور از انرژی خورشیدی تأمین می شود. اولین چیلر جذبی خورشیدی در سال 1974 توسط شركت یازاكی ژاپن طراحی شده است و از آن سال استفاده از این نوع چیلرهای جذبی گسترش زیادی یافته است. این شرکت در سال 1977 اقدام به تولید چیلر جذبی خورشیدی با ظرفیت­های 35،70 و 105 نمود و این چیلرها را به بازار عرضه کرد.

چیلرهای جذبی برخلاف چیلرهای تراكمی از هیچگونه ماده CFC یا HCFC كه موجب تخریب لایه ازن می­ شوند، استفاده نمی كنند و لذا برای محیط زیست خطری ایجاد نمی نمایند.

در چیلرهای جذبی خورشیدی، آب در یک سیکل سیستمی بسته سرد می­شود، این آب سرد می­تواند در سیستم­ های تمام هوا، یعنی در یک واحد هواساز، و یا در سیستم­ های آب استفاده شود و مثلا از سقف­های سرد شده استفاده کند یا در سیستم هوا-آب، مثلا سیستم­ های القایی استفاده شود.

چون چیلرهای جذبی با آب داغ کار می­ کنند، تنها کلکتورهای دارای (محیط انتقال حرارتی) مایع را می­توان استفاده کرد؛ به طور کلی، آرایش این سیستم مستقل از نوع کلکتور است. کلکتورهای خوشیدی باید بر اساس دمای محرک چیلر مورد­نیاز (یعنی دمای رفت آب داغ) و صرفه اقتصادی انتخاب شوند.

در ساختمانها معمولا از انرژی حرارتی خورشید برای گرم كردن آب مصرفی ساختمان در آبگرمكن­ های خورشیدی و استفاده از آبگرم به منظور سرمایش ساختمان در چیلرهای جذبی خورشیدی استفاده می شودبرای به كار بردن انرژی خورشید در سیستمهای نامبرده معمولا از سه نوع عمده­جاذبهای انرژی خورشیدی استفاده می شود:

1.جمع كننده های صفحه تخت:(Flat Plate Collectors) 

جمع كننده های صفحه تختمانند جعبه ای با پوشش شیشه ای تیره رنگ هستند كه انرژی خورشید را جذب و از طریق لوله های فلزی به سیال جاذب انتقال می دهند و دمای سیال را تا محدوده 40-60 درجه سانتیگراد بالا می برند. از جمع كننده های صفحه تختبرای گرم كردن هوای محیط یا آب گرم خانگی استفاده می شود.

2.جمع كننده های لوله خلاء ((Vacuum Tube Collectors

لوله های خلاء با توجه به ظاهر استوانه ای شكل شان، می توانند نور خورشید را از هر زاویه ای جذب كنند و به دلیل خلاء میان محفظه شیشه ای، به عنوان یك عایق حرارتی مناسب ، می توانند دمای سیال را از 70 تا 110 درجه سانتیگراد افزایش دهند. كاربرد اصلی این جمع كننده های لوله خلاء در سرمایش خورشیدی به وسیله چیلرهای تك اثره و فرایندهای حرارتی دما پایین است.

3.جمع كننده های سهموی خطی:(Parabolic Trough Collectors) 

جمع كننده های سهموی خطی در دو نوع با دهانه كوچك و بزرگ استفاده می شوند.در نوع كوچك، آیینه سهمیگون با شعاعی در حدود 1 متر، نور خورشید را روی سطح لوله ای كه در كانون آیینه قرار گرفته است متمركز می كنددمای كاری در این نوع به بازه120-220 درجه سانتیگراد محدود می شود و در تامین گرمایش فرایندهای صنعتی، چیلرهای جذبی خورشیدی 2 و 3 اثره، آبگرمكنهای تجاری و مولدهای قدرت كوچك به كار می رود. نمونه­با دهانه بزرگ امكان افزایش دمای سیال را از 250 تا450 درجه سانتیگراد دارا می باشد و برای مولدهای قدرت در مقیاس صنعتی به كارمی روند.

در ‏شکل 3 شماتیک یک چیلر جذبی خورشیدی ارائه شده است.

شکل 3. شماتیک یک چیلر جذبی خورشیدی

تمام سیستم­های چیلر جذبی خورشیدی دارای یک سیستم آب سردکن برای دفع حرارت هستند که معمولا به یک برج خنک کننده متصل است. این مدار، آّب خنک را در یک محدوده دمایی معین (براساس فناوری مورد استفاده) نگه می­ دارد.

در چیلرهای جذبی لیتیم برمید و آب، اجتناب از تغییرات سریع در دمای آب ورودی سرد کننده برای جلوگیری از تبلور بسیار اهمیت دارد. این کار به کمک یک شیر آب سرد انجام می­شود که با تنظیم صحیح دما (معمولا بین 25و 35 درجه سانتی گراد و با انحراف تقریبی 1 درجه) کنترل می­شود. البته باید توجه داشت که به کار بردن این شیر در تمام انواع چیلرها ضروری نیست.