چیلر جذبی چیست؟ انواع چیلرهای ابزوربشن

چیلر جذبی یا چیلر ابزوربشن (Absorption Chiller) یک دستگاه خنک کننده است که با استفاده از گرما به عنوان منبع انرژی، می تواند سیال سرد تولید کند. چیلر جذبی یا  چیلر ابزوربشن یکی از دو نوع چیلری است که در صنایع و تجهیزات مختلف استفاده می شود و پس از چیلر تراکمی (Compression Chiller)، چیلر محبوب ترین وسیله برای تولید سرما است. چیلرهای جذبی سرما را در چرخه ای پیچیده تولید می کنند و از این چیلرها برای تهویه مطبوع و فرایندهای صنعتی مختلف استفاده می شود.

نحوه ی کار چیلر جذبی

ساده ترین نوع چیلر جذبی دارای بخش های زیر است:

• ژنراتور (Generator)
• کندانسور (Condenser)
• جذب کننده (Evaporator)
• مبدل حرارتی (Heat exchanger)
• پمپ مبرد (Refrigerant Pump)
• پمپ محلول (Solution pump)
• جاذب (absorbent)
• مبرد (refrigerant)
• سیستم تخلیه ناخالصی (purge)
• کنترل های چیلر

در شکل زیر نمودار چرخه ی تبرید جذبی را مشاهده می کنید. برای شرح عملکرد این چرخه، وظیفه ی هر یک از دستگاه ها را بررسی می کنیم. میتوانید برای مطالعه بیشتر مقاله ی سیکل تبرید چیست ؟ آشنایی با انواع آن و نحوه عملکرد را مطالعه کنید.

عملکرد ژنراتور

در ژنراتور یک چرخه ی تبرید جذبی، محلول رقیق توسط منبع گرما حرارت داده می شود. این منبع گرما می تواند منبع ثانویه یا غیرمستقیم گرما مانند بخار، آب گرم، گاز داغ یا شعله ی غیرمستقیم باشد. همچنین می توان از منبع مستقیم گرما مانند سوزاندن گاز طبیعی، گازوئیل یا نفت استفاده کرد. پس از اینکه محلول در ژنراتور گرم شد، غلظت آن افزایش یافته و بخار مبرد با دمای بالا ایجاد می شود. بخاری که در دمای 200 درجه ی فارنهایت ایجاد شده، دارای دما و فشار بالایی است.

این بخار پس از ژنراتور به کندانسور می رود تا در دمای 115 درجه دوباره به مایع تبدیل شود. محلول غلیظ نیز توسط مبدل حرارتی به جذب کننده وارد می شود. در مبدل حرارتی، گرمای محلول غلیظ توسط محلول رقیق جذب می شود.

عملکرد کندانسور

بخار مبرد در کندانسور با دادن گرما به آب خنک کاری به مایع تبدیل می شود. فرایند چگالش، فرایندی با فشار ثابت است و به همین دلیل فشار ورودی و خروجی مبرد در کندانسور، برابر هستند. گرمایی که از مبرد به آب خنک کاری داده می شود، به هوای آزاد منتقل می شود. نحوه ی انتقال گرمای مبرد به هوا با توجه به نوع کندانسور، متفاوت است.

اگر ظرفیت چرخه پایین باشد، از کندانسورهای هوا خنک استفاده می شود که مستقیماً به وسیله ی پره ها، گرما را هوا می دهند. در صورت بالا بودن ظرفیت چرخه، گرمای مبرد ابتدا به سیال واسط که معمولاً آب است، داده می شود و سپس آب گرم شده خنک می شود. یکی از رایج ترین روش های خنک سازی آب خنک کن، برج های خنک کن هستند.

عملکرد اواپراتور

مبردی که از کندانسور خارج شده، وارد اواپراتور می شود. در این بخش از چیلر جذبی، فشار پایین بوده و دما در حدود 40 درجه ی فارنهایت است. مبرد با دریافت گرما از آب سرد، تبدیل به بخار می شود. مبرد به کمک پمپ مبرد در لوله های اواپراتور جریان می یابد. بخار شدن مبرد در طول لوله های اواپراتور به صورت تدریجی انجام می شود و به همین دلیل، در طول لوله ها، گرما از آب گرفته می شود. بدین ترتیب، فرایند تبخیر در فشار ثابت انجام می شود. آب سرد که در اواپراتور تولید شده، برای استفاده به کاربر تحویل داده می شود.

معمولاً دمای آب ورودی، 55 درجه و دمای آب خروجی، 45 درجه ی فارنهایت است. چیلرهای جذبی درصورتی که ظرفیت بالایی داشته یا برای کاربردهای فرایند استفاده شوند، از آب برای خروجی اواپراتور استفاده می کنند. در کاربردهای تهویه مطبوع نیز درصورتی که چیلر، واحد مرکزی تهویه ی یک ساختمان است، از آب استفاده می شود اما برای کاربردهای تهویه مطبوع با ظرفیت پایین و محیط های کوچک، مبرد در اواپراتور، مستقیماً هوا را خنک می کند.

عملکرد جذب کننده

بخار مبرد تولیدشده وارد جذب کننده شده و جذب محلول غلیظ می شود. بدین ترتیب، غلظت محلول غلیظ با جذب بخار مبرد، کاهش می یابد. گرمایی که در این بخش تولید می شود، با استفاده از روش هایی که در بخش کندانسور توضیح داده شد، به هوای آزاد داده می شود.

عملکرد پمپ محلول

وظیفه ی پمپ محلول، انتقال محلول رقیق به ژنراتور برای افزایش غلظت است. پمپاژ محلول رقیق از درون مبدل حرارتی انجام می شود تا پس از رسیدن به ژنراتور، انتقال حرارت نیز انجام شود. دو پمپی که در چرخه ی تبرید جذبی وجود دارند، نیاز به انرژی الکتریکی دارند اما این انرژی در مقایسه با انرژی گرمایی داده شده به چرخه یا انرژی که به کمپرسور چیلرهای تراکمی داده می شود، بسیار کمتر است. تولید سیال سرد در اواپراتور با استفاده از پنج مرحله ای که توضیح داده شد، انجام می شود.

انواع چیلرهای تبرید جذبی

انواع مختلفی از چیلرهای جذبی وجود دارند اما تمام این چیلرها با اصول یکسانی کار می کنند. در چیلرهای جذبی، در یک سیستم با فشار پایین، سیال جذبی یا مبرد داخل چرخه، بخار شده و باعث سرمایش می شود. برای تولید مجدد سیال جذبی، نیاز به یک منبع گرما است. در ادامه به بررسی انواع مختلف چرخه های تبرید جذبی می پردازیم.

چیلر جذبی تک اثره

در چیلرهای جذبی تک اثره، آب خروجی از اواپراتور یا همان آب خنک شده تنها یک بار در اواپراتور کاهش دما را تجربه می کند. تمام مراحل عملکرد چیلرهای جذبی تک اثره در بخش قبلی توضیح داده شد. ضریب عملکرد این چیلرها بین 0.6 تا 0.7 است.

چیلر جذبی دواثره

یک چیلر جذبی دواثره شباهت بسیار زیادی به چیلر جذبی تک اثره دارد؛ با این تفاوت که در چیلرهای جذبی دواثره، یک ژنراتور، کندانسور و مبدل حرارتی اضافه وجود دارد. علاوه بر این، بخش های اضافی در چیلرهای جذبی دواثره در دمای بالاتری از چیلرهای تک اثره کار می کند. ژنراتور، کندانسور و مبدل حرارتی که دمای بالاتری دارند، به ترتیب ژنراتور مرحله ی اول، کندانسور مرحله ی اول و مبدل حرارتی مرحله ی اول نامیده می شوند. در این نوع چیلر، سایر بخش های مشابه با نام مرحله دوم شناخته می شوند. در چیلرهای جذبی دواثره، ضریب عملکرد در حدود 1.2 است.

بخار مبرد که در ژنراتور مرحله ی اول تولید می شود، در کندانسور مرحله ی اول به مایع تبدیل می شود. گرمایی که در کندانسور مرحله ی اول دریافت می شود، برای تبخیر کردن مبرد در ژنراتور مرحله ی دوم استفاده می شود. به عبارت دیگر، منبع انرژی حرارتی چرخه ی مرحله ی دوم، گرمایی است که از مبرد در کندانسور مرحله ی اول دریافت می شود. مبردی که در مرحله ی دوم تولید می شود، ظرفیت اواپراتور را افزایش می دهد؛ درحالی که گرمای ورودی به چرخه، مقداری ثابت است. به همین دلیل، ضریب عملکرد چیلرهای جذبی دواثره، بالاتر از چیلرهای جذبی تک اثره است.

مقاله پیشنهادی: محاسبه ظرفیت چیلر تراکمی و جذبی + فرمول

چیلر جذبی سه اثره

یکی از پیشرفت های اخیر درزمینه ی چیلرهای جذبی، تولید تجاری چیلرهای جذبی سه اثره است. در این چیلرها، یک کندانسور، ژنراتور و مبدل حرارتی میانی به چیلرهای دواثره اضافه می شوند. انرژی حرارتی ورودی بخش میانی، گرمایی است که از کندانسور مرحله ی اول خارج می شود و انرژی حرارتی مرحله ی دوم، گرمایی است که از کندانسور میانی خارج می شود. ضریب عملکرد چیلرهای جذبی سه اثره، از چیلرهای جذبی دواثره نیز بالاتر است.

انواع محلول های استفاده شده در چیلرهای جذبی

دو نوع چیلر جذبی ازنظر نوع محلول های به کار گرفته شده در کاربردهای تجاری و صنعتی بیشتر استفاده می شوند که دماهای مختلفی دارند. در ادامه، خصوصیات این دو سیستم را بررسی می کنیم.

چیلر جذبی لیتیوم برماید و آب

چیلرهای جذبی لیتیوم برماید و آب برای کاربردهای آب خنک با دمای 5 درجه ی سلسیوس و بالاتر استفاده می شوند. چیلرهای تک اثره از این نوع می توانند از آب گرم با دمای 85 تا 90 درجه ی سلسیوس یا بخار گرم با فشار پایین تا 3 کیلوگرم بر سانتی متر مربع به عنوان منبع انرژی حرارتی برای ژنراتور استفاده کنند. درصورتی که چیلر جذبی لیتیوم برماید و آب، دواثره باشد، دمای آب گرم باید حداقل 140 درجه ی سلسیوس و فشار بخار تا 9 کیلوگرم بر سانتی متر مربع باشد.

چیلر جذبی و آب آمونیاک

می توان چیلر جذبی آب و آمونیاک تک اثره را برای کاربردهایی که دمای خنک کاری بین -40 تا 5 درجه ی سلسیوس نیاز دارند، استفاده کرد. دمای مناسب برای منبع انرژی حرارتی در این نوع چیلر، 95 تا 180 درجه ی سلسیوس است. آب خنک کاری کندانسور در این چیلرها را می توان آب با دمای محیط انتخاب کرد. چنانچه نیاز به دمای خنک کاری بین -40 تا -60 درجه ی سلسیوس باشد، دمای آب خنک کاری کندانسور باید بین 10 تا 15 درجه ی سلسیوس باشد. این چیلرها در فشارهای متوسط کار می کنند و تا دمای -30 درجه ی سلسیوس نیاز به فشار خلأ ندارند.

مقایسه چیلرهای جذبی و تراکمی

برای آشنایی بیشتر با چیلر تراکمی میتوانید به مقاله چیلر تراکمی چیست و معرفی انواع چیلر تراکمی و تفاوت چیلر جذبی و چیلر تراکمی چیست مراجعه کنید و در مورد آن و تفاوت آن با چیلر جذبی اطلاعات بیشتری کسب کنید.

کاربردها

انتخاب یک چیلر وابسته به کمیت هایی مانند شرایط، نیاز، مشخصات محل استفاده و فضای در دسترس است. علاوه بر این، معیارهای ثانویه مانند میزان بودجه، دسترسی به آب، دسترسی به انرژی برق یا سوخت فسیلی و تحمل سازه برای نگه داشتن چیلر نیز در انتخاب چیلر مؤثر هستند. چیلرهای جذبی فضای بیشتری اشغال کرده و حدوداً دو برابر ارتفاع بیشتری نسبت به چیلرهای تراکمی دارند. وزن آن ها تقریبا دو برابر بیشتر است. شرایط و محل نصب چیلرهای جذبی باید به گونه ای باشد که دسترسی و نگهداری از این چیلرها آسان تر باشد؛ زیرا چیلرهای جذبی نیاز به بررسی، مراقبت و امنیت بیشتری دارند.

همچنین برای کاربردهایی با ظرفیت متوسط و پایین، حجم و وزن چیلرهای جذبی بیشتر است. باوجوداینکه چیلرهای جذبی انرژی الکتریکی بسیار کمی مصرف می کنند، به دلیل استفاده از سوخت های فسیلی، این چیلرها باعث آلودگی در محیط مورداستفاده می شوند؛ بنابراین وابسته به شرایط آب وهوایی و دسترسی به انرژی، نوع انرژی مصرفی چیلرهای جذبی می تواند مثبت و منفی در نظر گرفته شود.

به دلیل هزینه تعمیر و نگه داری بالاتر چیلرهای جذبی، عموما هنگامی که بار سرمایشی دستگاه کم تر از 50 تن تبرید باشد، چیلرهای تراکمی ترجیح داده می شوند. در ظرفیت های بالاتر تا حدود 200 تن  تبرید انتخاب بین این دو چیلر به چگونگی تامین منبع انرژی آن ها بر می گردد به طوری که در چیلرهای تراکمی ممکن است مصرف و هزینه بالای برق مسئله ساز باشد. در ظرفیت های بالاتر از 200 تن معمولا چیلرهای جذبی ترجیح داده می شود مگر آن که شرایط طراحی و منابع انرژی باعث استفاده از چیلرهای تراکمی شوند.

در چیلرهای جذبی میزان ارتعاش و صدای ایجادشده بسیار پایین است و به همین دلیل در کاربردهایی که برای معیارهای ذکرشده محدودیت وجود دارد، این چیلرها انتخاب مناسبی هستند.

هزینه

اگر متغیرهای چیلرها مانند ظرفیت را یکسان در نظر بگیریم، قیمت یک چیلر جذبی بالاتر از یک چیلر تراکمی است. همچنین به دلیل وجود بخش ها و قطعات بیشتر و طراحی و ساخت پیچیده تر چیلرهای ابزوربشن، هزینه ی نگهداری نیز در این چیلرها بالاتر است. از طرف دیگر، به دلیل وجود جذب کننده در چیلرهای جذبی، نیاز به آب بیشتر بوده و درنتیجه این چیلرها آب بیشتری مصرف می کنند؛ بنابراین، هزینه ی آب مصرفی نیز به سایر هزینه های چیلرهای جذبی اضافه می شود. یکی از انواع چیلرهای تراکمی ، چیلر تراکمی آب خنک است که میتوانید در مورد آن در مقاله چیلر تراکمی آب خنک چیست و اجزای چیلر آبی بیشتر بخوانید.

کنترل

کنترل چیلرهای تبرید تراکمی به وسیله ی کمپرسور انجام می شود. این نوع کنترل در اکثر چیلرهای تراکمی به صورت گسسته و چندحالته است. اگرچه کمپرسورها می توانند به صورت پیوسته کنترل شوند، این روش کنترل هزینه ی بسیار بیشتری داشته و توان موردنیاز را هم به میزان زیادی افزایش می دهد. در مقابل، کنترل چیلرهای جذبی می تواند به صورت پیوسته باشد. در چیلرهای جذبی برخلاف چیلرهای تراکمی، درصورتی که باری وجود نداشته باشد، توان ورودی برابر صفر خواهد بود.

نوع مبرد

در چیلرهای جذبی آمونیاک و آب، آمونیاک به عنوان مبرد استفاده می شود که قیمت پایینی داشته و دسترسی به آن راحت است. همچنین در چیلرهای جذبی آب و لیتیوم برماید، آب به عنوان مبرد استفاده می شود. بنابراین چیلرهای جذبی از مبردهای ارزان قیمت استفاده می کنند. در مقابل، چیلرهای تراکمی از مبردهای هالوکربن استفاده می کنند که هزینه ی بسیار بالایی دارند.

نشتی مبرد

در چیلرهای جذبی، نشتی به ندرت اتفاق می افتد و شارژ دوباره ی چیلر هزینه ی بسیار پایینی دارد. در مقابل، در چیلرهای تراکمی شرایط بسیاری وجود دارد که منجر به نشتی شده و هزینه ی شارژ مجدد چرخه نیز بالا است.

مزایای چیلرهای تبرید جذبی

• در چیلرهای تبرید جذبی، تنها قطعه ی متحرک، پمپ ها هستند که توان بسیار پایینی نیاز دارند. به همین دلیل، عملکرد این چیلرها بسیار کم صدا بوده و سایش بسیار پایینی در این سیستم ها وجود دارد. درمجموع می توان گفت که طول عمر چیلرهای تبرید جذبی بسیار بالا است. در مقابل، چیلرهای تراکمی به دلیل داشتن کمپرسور، صدای زیادی داشته و همچنین استهلاک بالاتری دارند.
• چیلرهای جذبی از انرژی گرمایی به عنوان انرژی ورودی چرخه استفاده می کنند. در مقابل، در چیلرهای تراکمی بخار، از انرژی مکانیکی برای این کار استفاده می شود. ازنظر کیفیت انرژی، انرژی گرمایی پایین ترین کیفیت و انرژی مکانیکی یا الکتریکی بالاترین کیفیت را دارد. به عبارت دیگر، تولید یک ژول انرژی مکانیکی، نیاز به مقدار بیشتری از انرژی گرمایی دارد. به همین دلیل چیلرهای جذبی ازنظر نوع انرژی مصرفی، نسبت به چیلرهای تراکمی برتری دارند.
• چیلرهای جذبی بخار می توانند از هر نوع انرژی گرمایی در دسترس برای تولید سرما استفاده کنند. به طور نمونه، از بخار کوره ها و انرژی خورشیدی می توان بدین منظور استفاده کرد؛ بنابراین می توان چیلرهای جذبی را در شرایطی که دسترسی به انرژی الکتریکی وجود ندارد، به کار گرفت.
• در سیستم هایی که از چرخه ی تبرید جذبی استفاده می کنند، می توان با افزایش فشار بخار گرم (منبع گرما) در ژنراتور، فشار و دمای کاری اواپراتور را کاهش داد و در این فرایند، ظرفیت چرخه تنها مقدار کمی کاهش می یابد. در مقابل، با کاهش فشار اواپراتور در سیستم های تبرید تراکمی، ظرفیت چرخه به میزان زیادی کاهش می یابد.
• تغییرات بار، عملکرد چیلرهای تبرید جذبی را تحت تأثیر قرار نمی دهد. کنترل تغییرات بار با کنترل میزان انرژی حرارتی ورودی به چرخه و میزان آب سرد خروجی از چیلر انجام می شود. در مقابل، درصورتی که بار چیلرهای تراکمی کمتر از بار نامی باشد، عملکرد آن ها ضعیف خواهد بود.
• مبردی که به صورت مایع از اواپراتور خارج می شود، در چیلر جذبی تأثیر منفی به غیراز کاهش ظرفیت سرمایش ندارد اما در چیلرهای تراکمی به هیچ وجه نباید مایعی که از اواپراتور خارج می شود، به کمپرسور وارد شود. در غیر این صورت، کمپرسور آسیب خواهد دید.
• چیلرهای جذبی را می توان در ظرفیت های مختلفی ساخت. این ظرفیت، می تواند بالاتر از 1000 تن تبرید باشد که بیشترین ظرفیت برای یک چیلر تبرید تراکمی با یک کمپرسور است.
• فضای موردنیاز و سیستم کنترلی برای چیلرهای تبرید جذبی با دمای بسیار پایین اواپراتور، بهینه تر از چیلرهای تراکمی است.

معایب چیلرهای تبرید جذبی

• ضریب عملکرد چیلرهای جذبی پایین تر از چیلرهای تراکمی است. ضریب عملکرد در چیلرهای جذبی در محدوده ی 0.6 تا 1.2 و در چیلرهای تراکمی در محدوده ی 3 تا 7 است. البته این نکته تنها بدون درنظر گرفتن نوع انرژی صادق است. چنانچه نوع انرژی و کیفیت آن درنظر گرفته شود، ضریب عملکرد چیلرهای جذبی بالاتر از چیلرهای تراکمی خواهد بود.
• در مقایسه با چیلرهای تبرید تراکمی، چیلرهای جذبی به زمان بیشتری برای تأمین سرمایش نیاز دارند.
• فضای موردنیاز برای چیلرهای جذبی با ظرفیت پایین، بزرگتر از چیلرهای تراکمی است.
• چیلرهای جذبی نیاز به پمپ هایی با قیمت بالا دارند.
• در صورت استفاده از نفت برای تأمین انرژی گرمایی در ژنراتور، بوی بدی به وجود می آید.

کاربردهای چیلرهای تبرید جذبی

معمولاً چیلرهای تبرید جذبی در کاربردهایی استفاده می شوند که دسترسی به برق با مشکل روبه رو است. این چیلرها در صورت فراهم بودن انرژی گرمایی مانند انرژی خورشیدی گزینه ای ایده آل به حساب می آیند. چیلرهای جذبی لیتیوم برماید به صورت گسترده در کاربردهای تهویه مطبوع با ظرفیت بالا استفاده می شوند. همچنین از این چیلرها برای خنک سازی آب و انواع نوشیدنی ها استفاده می شود.