Search
Close this search box.

هیت ریکاوری چیست؟ بازیابی حرارت در چیلر

هیت ریکاوری چیست؟

در حال حاضر، به دلیل پیشرفت روز افزون صنایع، مصرف انرژی و هزینه های مربوط به آن به طور مداوم در حال افزایش است. به همین ترتیب، بهره وری و اهداف زیست محیطی روز به روز بیشتر مورد توجه قرار می گیرد.

از طرفی، سیستم های هواساز یا چیلر که برای خنک کردن تأسیسات یا ایجاد شرایط آسایش در منازل و محیط های اداری استفاده می شوند، نیاز به انرژی دارند.

در واقع، بخش قابل توجهی از این انرژی به صورت گرما از بین می رود. اگر بتوانیم این انرژی را بازیابی کرده و مجدداً برای تأمین نیازهای گرمایشی تأسیسات استفاده کنیم، تأثیر قابل توجهی در کاهش مصرف انرژی خواهیم داشت.

در این مقاله به بررسی موضوع بازیابی انرژی یا هیت ریکاوری (Heat Recovery) پرداخته شده و ویژگی های آن بیان می گردد.

تعریف هیت ریکاوری و لزوم استفاده از آن

در بسیاری از تجهیزات مکانیکی که دارای هدف تبدیل انرژی هستند، در یک یا چند بخش از این تجهیزات، گرمایی به وجود می آید که اغلب به هوای آزاد منتقل می شود.

با وجود اینکه این گرما، نوعی از انرژی است و می توان از آن استفاده کرد، این انرژی به صورت کامل تلف شده و باعث گرم شدن هوای کره ی زمین می شود.

هیت ریکاوری یا بازیابی حرارت (Heat Recovery) در واقع استفاده از این انرژی به عنوان انرژی ورودی یک دستگاه یا فرایند دیگر است.

دستگاه هایی مانند چیلرها، بویلرها، کوره ها و سیکل های تولید توان، حرارت بسیار زیادی ایجاد می کنند که در صورت بازیافت این حرارت، مقدار بسیار زیادی از مصرف سوخت، کاهش می یابد. معمولاً این انرژی اتلافی به صورت هوا یا گازهای داغ است. برای آشنایی بیشتر با چیلرصنتعتی و قیمت آن میتوانید مقاله چیلر صنعتی چیست و انواع چیلرهای صنعتی را مطالعه کنید.

لزوم استفاده از روش هیت ریکاوری تنها به دلیل افزایش بازده مصرف انرژی نیست. طبق پیش بینی آژانس بین المللی انرژی (IEA)، میزان مصرف انرژی در 20 سال آینده، 45 درصد افزایش خواهد یافت.

تأمین منابع این افزایش انرژی با استفاده از سوخت های فسیلی حتی با در نظر گرفتن میدان های نفت و گاز کشف نشده نیز غیر ممکن است و به همین دلیل، باید روش های دیگری برای مقابله با این بحران در نظر گرفته شود که بازیابی انرژی یکی از عملی ترین و به صرفه ترین راهکارهای ممکن است.

انواع چیلر هیت ریکاوری

چیلرهای بازیاب حرارت یا هیت ریکاوری بر اساس نوع مبدل حرارتی که برای انتقال گرما استفاده می کنند، دارای دو دسته رایج هستند که عبارت است از چیلر هیت ریکاوری با مبدل حرارتی پوسته و لوله، و چیلر هیت ریکاوری با مبدل حرارتی صفحه ای.

مبدل های حرارتی در چیلر هیت ریکاوری، بین اواپراتور و کندانسور قرار گرفته و آب گرم مصرفی یا آب مورد نیاز برای گرمایش از یک مسیر عبور کرده، و گرمای مبرد کندانسور در مسیر دیگر را جذب می کند.

این موضوع باعث می شود تا از یک طرف دمای مبرد در کندانسور کاهش بیابد، و از طرف دیگر این گرمای از دست رفته از مبرد صرف گرم کردن آب گرمایشی مورد نیاز شود. بنابراین می توان با کمترین هزینه گرمایش یا پیش گرمایش آب مورد نظر را نیز به این طریق انجام داد.

 مبدل پوسته و لوله

مبدل حرارتی پوسته و لوله یک نوع مبدل بوده که از تعدادی لوله و یک پوسته بزرگ تشکیل شده است. لوله ها درون پوسته قرار گرفته و اغلب سیال با دمای کم درون لوله ها جریان دارد.

از طرفی سیال با دمای بالا نیز در اطراف لوله ها جریان می یابد. بدین ترتیب، تبادل حرارتی بین دو سیال فراهم شده و باعث گرم تر شدن سیال سرد، و سردتر شدن سیال گرم می شود. جنس لوله های این مبدل معمولاً از مس بوده، اما در برخی موارد می توان از برنج، آلومینیوم، استیل، نیکل و سایر متریال ها نیز استفاده کرد.

به طور کلی اجزای یک مبدل حرارتی پوسته و لوله را می توان متشکل از تیوب ها، پوسته، بافل، هدر، و سایر اجزا دانست. تیوب ها وظیفه انتقال سیال و آبندی لوله ها را نسبت به یکدیگر و نسبت به پوسته بر عهده دارند.

در پوسته نیز سیال دوم که اغلب مبرد گازی است جریان می یابد. بافل ها نیز صفحاتی هستند که جریان سیال درون پوسته را به صورت تناوبی تغییر می دهند و با ایجاد جریانی مغشوش در سیال، نرخ انتقال حرارت را افزایش می دهند.

این بافل ها در اصل تیغه هایی هستند که درون پوسته قرار گرفته و باعث می شوند سیال اطراف لوله ها مسیر بیشتری را طی کنند و انتقال حرارت بیشتری فراهم شود.

مبدل صفحه ای

مبدل حرارتی صفحه ای یا پلیتی، از تعداد زیادی صفحه فلزی تشکیل شده است که با فاصله اندکی کنار یکدیگر قرار گرفته و نسبت به هم آب بندی می شوند.

یک سیال با دمای بالا و یک سیال با دمای پایین وارد این مبدل شده و از طریق سطح فلزی صفحات با یکدیگر تبادل حرارت می کنند. این صفحات به دلیل ضخامت اندک و ضریب انتقال حرارت بالا، دارای مساحت گسترده بوده که باعث ایجاد سطح انتقال حرارت بالایی شده و به همین دلیل این نوع مبدل ها دارای ابعاد کوچکی (فشرده) هستند.

اما یکی از معایب این مبدل ها در مقایسه با مبدل های شل و تیوب (پوسته و لوله) تحمل فشار به نسبت کمتر است. به همین دلیل برای کاربردهای با فشار بالا معمولاً از نوع صفحه ای استفاده نمی شود.

در این مبدل ها سیال با دمای بالا و دمای پایین با الگوی یکسان بین صفحات حرکت می کنند و حرارت از جداره این صفحات بین دو سیال منتقل می شود.

مبدل صفحه ای

اجزای چیلر هیت ریکاوری

اجزای چیلر بازیاب حرارتی یا هیت ریکاوری عبارت است از:

کمپرسور

کمپرسور چیلر وظیفه فشرده سازی مبرد و انتقال آن درون مدار را بر عهده دارد. دما و فشار مبرد با عبور از کمپرسور افزایش می یابد. از کمپرسورها به عنوان قلب سیستم چیلر نام برده می شود. از جمله کمپرسورهای پر مصرف می توان به نوع اسکرو، اسکرال، و رفت و برگشتی اشاره کرد. برای آشنایی بیشتر با کمپرسور اسکرو مقاله کمپرسور اسکرو چیست و راهنمای انتخاب کمپرسور را بخوانید.

کندانسور یا چگالنده

کندانسور چیلر پس از کمپرسور قرار گرفته و وظیفه خنک سازی مبرد و تبدیل بخار مبرد فشرده شده به مایع پر فشار را بر عهده دارد. در این فرآیند، حرارتی که توسط مبرد جمع آوری شده، به کمک کندانسور آبی به آب منتقل شده و سپس در برج خنک کننده به محیط منتقل می شود.

اواپراتور یا تبخیر کننده

اواپراتور چیلر در واقع یک مبدل حرارتی بوده که وظیفه تبدیل مایع مبرد اشباع به بخار اشباع را بر عهده دارد. در این فرآیند، حرارت از محیط اطراف اواپراتور دریافت شده و به مبرد منتقل می شود؛ از این رو دمای محیط اطراف اواپراتور کاهش می یابد. از طرفی مبرد به شکل بخار مجددا وارد کمپرسور می شود.

مبدل بازیاب حرارتی (Heat Recovery Unit)

این مبدل تنها در چیلرهای هیتر ریکاوری وجود داشته و وظیفه بهره برداری از حرارت از دست رفته در فرآیند سرمایش را بر عهده دارد. حرارتی که از کندانسور خارج می شود، با استفاده از این مبدل، به سیال دیگری منتقل شده و می توان به کمک آن گرمایش محلی را انجام داد.

به عنوان مثال می توان از این حرارت بازیابی شده برای گرمایش فضای داخلی یا تأمین آب گرم مصرفی یا گرمایشی استفاده کرد. این واحد به عنوان یک سیستم بازیافت حرارت عمل می کند و به بهبود کارایی انرژی و کاهش مصرف انرژی کمک شایانی می کند.

این مبدل معمولاً در نزدیکی کندانسور و قبل از ورود به برج خنک کننده چیلر هیت ریکاوری قرار گرفته، و گرمای از دست رفته مبرد را به آب موجود در مدار ثانویه منتقل می کند.

مبدل بازیاب حرارتی (Heat Recovery Unit)

شیرهای کنترلی

شیرهای کنترلی وظیفه کنترل جریان مبرد، فشار و دما در سیستم هیت ریکاوری را بر عهده دارند. از این تجهیزات برای بهینه سازی عملکرد سیستم و تنظیم پارامترهای مورد نیاز در سیستم استفاده می شود.

این اجزا در یک سیستم چیلر بازیاب حرارتی کمک می کنند تا در مواقع نیاز امکان استفاده از حرارت اتلافی سیستم فراهم شده و به صرفه جویی انرژی و کاهش مصرف سوخت کمک شود.

عوامل موثر در انتخاب چیلر هیت ریکاوری

عوامل مختلف موثر در انتخاب چیلر هیت ریکاوری عبارت است از:

  • میزان گرمای مورد نیاز برای گرمایش مورد نظر
  • نوع کاربری
  • شرایط آب و هوایی منطقه
  • هزینه ها

مزایای هیت ریکاوری

به طور کلی می توان با 7 روش از هیت ریکاوری بهره برد که در ادامه، این روش ها را بررسی می کنیم:

1. کاهش مصرف سوخت

مهم ترین مزیت بازیابی حرارت که هزینه های استفاده از این روش را کاهش می دهد، کاهش مصرف انواع سوخت و به ویژه سوخت های فسیلی است.

2. تولید انرژی الکتریکی و انرژی مکانیکی

برای به صرفه بودن تولید انرژی الکتریکی و مکانیکی از بازیافت گرما، باید میزان حرارت اتلافی و دمای آن بالا باشد که این شرایط تنها در کارخانه های بزرگ و نیروگاه ها وجود دارد.

بسیاری از نیروگاه ها، انرژی الکتریکی مورد نیاز برای خود نیروگاه را با استفاده از هیت ریکاوری تولید می کنند. البته در سایر کارخانه ها می توان این انرژی الکتریکی را به شبکه ی برق فروخت که اقتصادی ترین مزیت بازیافت، این مورد است.

3. کاهش نیاز به خنک کاری تجهیزات

گرمایی که از بازیافت استفاده می شود، در صورتی عدم به کارگیری این روش در قطعات و تجهیزات سیستم، ذخیره شده و دمای آن ها را بالا می برد. به همین دلیل، عدم به کارگیری بازیافت گرما باعث نیاز بیشتر به خنک کاری خواهد شد.

4. کاهش هزینه های سرمایه گذاری

استفاده از هیت ریکاوری باعث افزایش بهره وری سیستم ها و در نتیجه افزایش ظرفیت خواهد شد. به همین دلیل، نیاز به افزایش ظرفیت و خرید تجهیزات بیشتر از بین می رود.

بازیافت حرارت در چیلر آب خنک باعث می شود که گرمای آب خروجی از کندانسور، کاهش یافته و یک برج خنک کن با ظرفیت پایین تر بتواند پاسخگوی سیستم باشد.

5. افزایش تولید

در تجهیزات تبدیل انرژی می توان با استفاده از بازیابی حرارت، ظرفیت دستگاه ها را افزایش داد و بدین ترتیب، میزان توان تولیدی سیستم ها افزایش می یابد.

6. کاهش تولید گازهای گلخانه ای

یکی از ویژگی هایی که هیت ریکاوری را در دستور کار دولت ها و سازمان های حفاظت از محیط زیست قرار داده، کاهش تولید گازهای گلخانه ای با به کارگیری این روش است. با کاهش این گازها، سرعت افزایش دمای کره ی زمین، کاهش یافته و به ترمیم محیط زیست کمک می شود.

7. تبدیل حرارت به انرژی مفید

دو روش برای استفاده از حرارت اتلافی در صنایع کوچک و خانه ها وجود دارد که استفاده از بازیابی حرارت را برای تمام کاربران امکان پذیر می سازد.

روش اول، ذخیره ی گرمای اتلافی در آب و استفاده از این آب برای کاربردهای روزانه مانند شستشو و حمام است. روش دوم، استفاده از گرمای اتلافی به عنوان انرژی ورودی چیلرهای جذبی است.

چیلرهای جذبی می توانند تنها با گرما کار کنند و به انرژی دیگری نیاز ندارند. به همین دلیل می توان با محاسبه ی میزان و دمای حرارت اتلافی، یک چیلر جذبی مناسب انتخاب کرد تا نیاز به خنک کاری ساختمان های کوچک از این روش تأمین شود.

بازیابی حرارت در چیلر

بازیابی حرارت در چیلر تراکمی هوا خنک

در چیلرهای هوا خنک (Air-Cooled Compression Chiller)، آب یا هوای سرد در اواپراتور تولید می شود اما در کندانسور، مقدار بسیار زیادی حرارت ایجاد می شود. این حرارت از چیلر هوا خنک، توسط هوا به محیط بیرون داده می شود در حالی که می توان با بازیابی حرارت در چیلر، از این گرما استفاده کرد. در خانه ها، این گرما را می توان در آب گرم ذخیره و برای مصارف متداول، استفاده کرد.

در کندانسورهای بازیاب حرارت، گرمای مبرد به جای هوا، به آب داده می شود. حجم این نوع از کندانسورها، کمتر از کندانسور اصلی یک چیلر هوا خنک بوده و مصرف انرژی نیز به دلیل استفاده از پمپ به جای فن، کاهش می یابد. بنابراین، با بازیابی حرارت در چیلر هوا خنک، می توان علاوه بر بهره گیری از انرژی اتلافی، بازده چیلر را نیز افزایش داد. در شکل زیر، شماتیک بازیابی حرارت در چیلر هوا خنک را مشاهده می کنید.

شماتیک بازیابی حرارت در چیلر هوا خنک

در این چیلر، در صورتی که نیاز به آب گرم باشد، شیرهای خودکار مطابق با تصویر زیر، مسیر چرخه را تغییر داده و مبرد به جای حرکت از کندانسور هوا خنک، از کندانسور بازیاب حرارت عبور می کند.

همچنین در صورتی که ظرفیت آب گرم به بیشترین حد خود برسد، این چرخه دوباره به حالت اولیه باز می گردد. برای مطالعه بیشتر می توانید مقاله چیلر تراکمی هوا خنک چیست و طرز کار چیلر هوا خنک را مطالعه بفرمایید.

 

بازیابی حرارت در چیلر تراکمی آب خنک

در چیلر تراکمی آب خنک (Water-Cooled Compression Chiller) گرمای درون چرخه در کندانسور، مستقیماً به آب داده می شود. این آب در حالت عادی، وارد برج خنک کن می شود تا گرمای خود را به هوای بیرون دهد اما زمانی که نیاز به آب گرم باشد، می توان به طور مستقیم از این آب استفاده کرد یا در یک مبدل حرارتی دیگر، گرمای این آب را به آب در یک چرخه ی دیگر داد.

بازیابی حرارت در چیلر جذبی

در چیلرهای جذبی (Absorption Chiller) بر خلاف چیلرهای تراکمی، منبع انرژی ورودی به چیلر، انرژی حرارتی است. به همین دلیل بازیابی حرارت در چیلر جذبی دو مفهوم دارد.

مفهوم اول، استفاده از انرژی حرارتی تولید شده در کندانسور چیلر است که البته این میزان، کمتر از چیلرهای تراکمی است و به همین دلیل، صرفه ی اقتصادی چندانی ندارد.

مفهوم دوم، استفاده از هیت ریکاوری در کندانسور یک چیلر جذبی برای تأمین انرژی یک چیلر جذبی دیگر است که این مفهوم باعث طراحی و ساخت چیلرهای جذبی دو یا چند اثره شده است.

به دلیل اینکه چیلرهای جذبی می توانند با منبع حرارتی با دمای پایین کار کنند، هیت ریکاوری در این چیلرها به راحتی امکان پذیر است. چیلرهای دو یا چند اثره یکی از کاربردهای عملی و اقتصادی بازیابی حرارت در چیلر هستند که ضریب عملکرد چیلر را به میزان زیادی افزایش می دهند.

در ادامه، نحوه ی کار چیلرهای جذبی دو و چند اثره را بررسی می کنیم اما برای جزئیات بیشتر، به مقاله ی چیلر جذبی چیست؟ انواع چیلرهای ابزوربشن مراجعه کنید.

یک چیلر جذبی دو اثره در واقع دو چیلر جذبی است که یک چرخه با منبع گرما با دمای بالا و یک چرخه با منبع گرما با دمای پایین دارد. منبع گرمای چرخه ی اول، گرمایی است که از سوزاندن سوخت یا هر روش دیگری به دست آمده است.

البته در صورت در اختیار داشتن گرمای حاصل از هیت ریکاوری با دمای بالا، می توان از آن نیز برای کارکرد چیلر استفاده کرد.

کندانسور چرخه ی اول، به ژنراتور چرخه ی دوم متصل است و گرمای خروجی از چرخه ی اول، وارد چرخه ی دوم می شود تا بدین ترتیب چرخه ی دوم نیز بتواند سیال سرد تولید کند.

با استفاده از این مفهوم، می توان به تعداد چرخه های چیلرهای جذبی اضافه کرد تا ضریب عملکرد چیلر افزایش یابد اما این کار تا سه چرخه یا چیلر جذبی سه اثره توجیه اقتصادی دارد.

هزینه های بازیابی حرارت در چیلر

با وجود اینکه مزایای بازیابی حرارت در چیلر نشان می دهند که این کار برای تمام کاربردهای چیلرها ضروری است، این کار نیازمند ملاحظات طراحی بیشتری است.

پیاده سازی هیت ریکاوری در چیلر نیازمند تجهیزات اضافه و سیستم کنترلی است تا از عدم تأثیر دمای آب خروجی از کندانسور بازیاب حرارت بر روی چرخه ی تبرید، اطمینان حاصل شود.

کنترلرها از الگریتم هایی برای ارزیابی فشار مبرد، دمای هوای محیط و سایر داده های ورودی استفاده می کنند تا بتوانند به درستی شیرهای کنترل حلقه ها را تنظیم کنند. به همین دلیل، هزینه های اولیه و جاری یک چیلر در صورت بازیابی حرارت، افزایش چشمگیری می یابند.

5/5 - (1 امتیاز)

ارسال دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

مقالات مرتبط