بخش سوم :
جهت کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه، بخش قبلی و بعدی را مطالعه کنید.
مقدمه
سیکل چیلر جذبی به عنوان یکی از روش‌های کارآمد در سیستم‌های تبرید، با استفاده از فرآیند جذب و دفع گرما به تامین سرمایش می‌پردازد. این سیستم بر پایه اصول مشابه سیکل تبرید تراکمی است، با این تفاوت که به جای کمپرسور، از پمپ، ابزوربر (جاذب) و ژنراتور بهره می‌برد. به همین دلیل، چیلرهای جذبی از انرژی حرارتی به جای انرژی الکتریکی استفاده می‌کنند و می‌توانند به طور موثری در کاهش هزینه‌های انرژی و تأمین سرمایش در صنایع مختلف مورد استفاده قرار گیرند. در این مقاله، به بررسی اجزای عملکردی سیکل تبرید جذبی، رابطه فشار و دمای جوش در آن، و فرآیند کارکرد چیلرهای جذبی می‌پردازیم.
سیکل چیلر جذبی
عملکرد سیکل تبرید جذبی به‌طور کلی مشابه سیکل تبرید تراکمی بخار است، با این تفاوت که در این سیستم به‌جای کمپرسور، از تجهیزاتی مانند پمپ، ابزوربر (جاذب) و ژنراتور استفاده می‌شود. در سیکل تبرید جذبی، فرآیند چگالش گاز مبرد در فشار و دمای بالا (که در کندانسور رخ می‌دهد) و همچنین تبخیر آن در فشار و دمای پایین (که در اواپراتور اتفاق می‌افتد و گرما از محیط سرد شونده جذب می‌شود)، شباهت زیادی با سیکل تبرید تراکمی دارد. این ویژگی‌ها موجب می‌شود که هر دو سیستم به‌عنوان گزینه‌های مؤثر در تأمین سرمایش شناخته شوند، با این تفاوت که چیلرهای جذبی از انرژی حرارتی به‌جای انرژی الکتریکی بهره می‌برند.
همانطور که به یاد دارید، در سیکل تبرید تراکمی نیز چهار مولفه اصلی عبارت بودند از :
• کمپرسور یا واحد تراکم
• کندانسور یا واحد چگالش
• شیر انبساط (اکسپنشن ولو)
• اواپراتور یا واحد تبخیر
در بیشتر چیلرهای جذبی، آب که به‌عنوان مبرد مایع عمل می‌کند، پس از گذر از گلوگاه یا دریچه انبساط وارد اواپراتور می‌شود. این دریچه مشابه چیلرهای تراکمی، قسمت فشار بالای مدار (کندانسور) را از قسمت فشار پایین مدار (اواپراتور) تفکیک می‌کند.
همانطور که در تصویر نشان داده شده است، تنها کمپرسور از این سیستم حذف شده است. به همین دلیل، مصرف برق در چیلرهای جذبی به‌طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. با این حال، باید توجه داشت که ممکن است مصرف گاز در این چیلرها افزایش یابد؛ زیرا در بسیاری از چیلرهای جذبی، به‌ویژه در ایران، از مشعل‌های گازسوز برای تأمین حرارت مورد نیاز استفاده می‌شود.
در این سیستم به‌جای مبردی که در چیلرهای تراکمی به کار می‌رود، از آب به‌عنوان مبرد و از لیتیوم بروماید به‌عنوان جاذب استفاده می‌شود. پیش از این، آب به‌عنوان سیال جاذب و آمونیاک به‌عنوان مبرد به‌کار می‌رفت، اما پس از سال‌ها تحقیق، ترکیب آب و لیتیوم بروماید جایگزین آنها در سیستم‌های جذبی شد.
انتخاب لیتیوم بروماید به‌عنوان جاذب به‌دلیل ویژگی‌هایی چون قدرت بالای جذب بخار آب، غیر سمی بودن، عدم انفجار و عدم تولید ترکیبات مضر است. در واقع، لیتیوم بروماید به‌عنوان یک نمک مایع شناخته می‌شود.
از آنجا که در حال حاضر بیشتر چیلرهای جذبی از ترکیب آب و لیتیوم بروماید بهره می‌برند، در این مقاله از توضیحات مربوط به محلول آب و آمونیاک صرف نظر می‌کنیم. به این ترتیب، هرگاه به ماده مبرد اشاره می‌کنیم، منظور ما آب خواهد بود و لیتیوم بروماید به‌عنوان ماده جاذب در نظر گرفته می‌شود.
رابطه فشار و دمای جوش و کاربرد آن در چیلرهای جذبی
همانطور که در توضیح سیکل تبرید جذبی اشاره شد، برای عملکرد بهینه چیلرهای جذبی، لازم است که هوای موجود در اواپراتور تخلیه شود و سپس سیستم در فشار پایین (حدود 0.01 بار) راه‌اندازی گردد. در این راستا، درک ارتباط میان فشار اعمال‌شده بر سطح مایعات و نقطه جوش (تبخیر) آنها حائز اهمیت است.
بین فشار موجود بر سطح یک مایع و دمای جوش آن، رابطه‌ای مستقیم وجود دارد. به عنوان مثال، آب در کنار دریا (با فشار یک اتمسفر) در دمای 100 درجه سانتی‌گراد به جوش می‌آید و شروع به تبخیر می‌کند. اما در ارتفاعات بالاتر، به دلیل کاهش فشار جوی، همان آب در دماهای پایین‌تر به جوش می‌آید.
حال فرض کنید که بتوانیم فشار بر روی آب، به‌عنوان مایع مبرد، را به حدی کاهش دهیم که در دمای تقریبی 4 درجه سانتی‌گراد تبخیر شود. این امر به ما این امکان را می‌دهد که به تبخیر آب در دماهای پایین دست یابیم، که این موضوع به‌ویژه برای فرآیند سرمایش در چیلرهای جذبی بسیار مفید است. با این کار، می‌توانیم در دماهای پایین‌تر به تولید برودت بپردازیم و در نتیجه، کارایی و اثر بخشی سیستم‌های سرمایشی را افزایش دهیم.
این اصل در طراحی چیلرهای جذبی به کار گرفته شده است، به‌طوری که با کاهش فشار در اواپراتور و ابزوربر (محفظه جاذب) به حدود 0.01 بار، که یک مقدار قابل توجه از خلاء محسوب می‌شود، می‌توانیم آب را به‌عنوان مبرد در دمای 4.5 درجه سانتی‌گراد به جوش بیاوریم. فرآیند تبخیر به طور طبیعی یک فرآیند گرماگیر است و به همین دلیل باعث جذب گرما از محیط اطراف اواپراتور و ابزوربر می‌شود. این پدیده، موجب ایجاد سرمایش می‌گردد.
بنابراین، برای عملکرد صحیح چیلرهای جذبی، ضروری است که این سیستم‌ها تحت فشار منفی و در حالت وکیوم عمل کنند. با این حال، باید اشاره کرد که این فشار کاری منفی نیز یکی از معایب چیلرهای جذبی به شمار می‌آید. چرا که هر گونه نشتی کوچک در سیستم می‌تواند به کاهش راندمان و حتی از کار افتادن چیلر منجر شود. بنابراین، حفظ یک سیستم بدون نشتی و با فشار مناسب از اهمیت بالایی برخوردار است.
عکس این فرآیند در دیگ‌های بخار رخ می‌دهد. در دیگ‌های بخار، برای اینکه آب بتواند در دماهای بالاتر از 100 درجه سانتی‌گراد به جوش بیاید، فشار داخلی دیگ را افزایش می‌دهیم. با این کار، نقطه جوش آب نیز بالا می‌رود. به عبارت دیگر، با افزایش فشار در داخل دیگ، آب می‌تواند در دماهای بالاتر از حد معمول به حالت بخار تبدیل شود، که این ویژگی برای تولید بخار با کیفیت و دماهای بالا در صنایع مختلف بسیار حائز اهمیت است. این تفاوت در روش‌های کنترل دما و فشار، کاربردهای متنوعی را برای هر دو سیستم چیلر جذبی و دیگ‌های بخار به وجود می‌آورد.
نحوه عملکرد و طرز کار چیلر جذبی
چیلرهای جذبی، همانطور که در توضیحات مربوط به سیکل آنها اشاره شد، دستگاه‌هایی هستند که با بهره‌گیری از فرآیند جذب و دفع ماده مبرد (آب) توسط ماده جاذب (لیتیوم بروماید) عمل می‌کنند. در این سیستم، ماده مبرد در بخش اواپراتور تبخیر شده و به‌دنبال آن گرما از محیط اطراف جذب می‌شود و این فرآیند سبب تولید برودت و ایجاد آب سرد می‌گردد.
عملکرد چیلر جذبی به‌طور کلی به‌صورت زیر است :
1. تبخیر : آب (مبرد) در دمای پایین و فشار کم در اواپراتور تبخیر می‌شود و در این حین گرما را از محیط اطراف خود می‌گیرد.
2. جذب : بخار آب تولید شده به سمت جاذب (ابزوربر) می‌رود، جایی که با لیتیوم بروماید ترکیب می‌شود. در این مرحله، بخار آب توسط لیتیوم بروماید جذب می‌شود.
3. تولید محلول غلیظ : بخار آب پس از جذب به یک محلول مایع تبدیل می‌شود که غلظت لیتیوم بروماید را افزایش می‌دهد. این فرآیند انرژی گرما را آزاد می‌کند.
4. تغلیظ : این محلول غلیظ به سمت ژنراتور پمپ می‌شود، جایی که با استفاده از یک منبع حرارتی (معمولاً گاز یا بخار) گرم می‌شود. در این مرحله، آب از محلول لیتیوم بروماید تبخیر می‌شود و دوباره به حالت بخار درمی‌آید.
5. تقطیر : بخار آب به سمت کندانسور منتقل می‌شود، جایی که با استفاده از آب خنک کننده دما کاهش یافته و بخار تبدیل به مایع می‌شود.
6. چرخه تکرار : در نهایت، مایع مبرد به سمت اواپراتور برمی‌گردد و چرخه دوباره آغاز می‌شود.
به این ترتیب، برای عملکرد کامل سیکل تبرید در چیلرهای جذبی، وجود یک منبع دمایی نسبتا پایین (آب خنک کننده) در بخش کندانسور ضروری است تا امکان تقطیر مجدد مبرد فراهم گردد.
سیستم‌های تبرید جذبی با استفاده از فرآیند شیمیایی در محیط خلاء، قادر به جذب گرما و تولید سرما هستند. در این چیلرها، آب به‌عنوان ماده مبرد عمل می‌کند که در فشار بسیار پایین و دماهای کم تبخیر می‌شود. این تبخیر باعث می‌شود که گرمای نهفته در سیال ثانویه (آب در حال گردش در سیستم سرمایش) جذب گردد. بخارهای حاصل از این فرآیند به‌وسیله ماده جاذب (لیتیوم بروماید) جذب می‌شوند و بدین ترتیب، سیستم به تولید برودت می‌پردازد.
در چیلر جذبی، مایع مبرد (آب) در شرایط استاندارد، یعنی تحت فشار 1 اتمسفر، در دمای 100 درجه سانتی‌گراد به جوش می‌آید. اما در فشار 0.1 اتمسفر، که شرایطی برای ژنراتور و کندانسور است، آب در دمای 43 درجه سانتی‌گراد تبخیر می‌شود. به طور شگفت‌انگیزی، با کاهش فشار به 0.01 اتمسفر، آب قادر است در دمای 4.5 درجه سانتی‌گراد تبخیر گردد. این ویژگی از کاهش فشار برای تبخیر مبرد در دماهای پایین‌تر، یکی از اصول کلیدی عملکرد چیلرهای جذبی است و امکان جذب گرما از محیط را فراهم می‌آورد.
(بنابراین، تفاوت کلیدی و اساسی بین سیکل تبرید جذبی و سیکل تبرید تراکمی بخار در نحوه انتقال ماده مبرد از ناحیه فشار کم به ناحیه فشار زیاد قرار دارد. در سیکل تبرید تراکمی، این انتقال با استفاده از کمپرسور صورت می‌گیرد. در مقابل، در سیکل تبرید جذبی، این کار از طریق یک فرآیند شیمیایی انجام می‌شود که به انتقال بخار با دمای پایین و فشار کم کمک می‌کند. این شیوه متفاوت، نه تنها به کاهش مصرف انرژی منجر می‌شود، بلکه می‌تواند بر اساس نیاز به منابع حرارتی مختلف نیز سازگار شود.
دومین تفاوت مهم بین سیکل تبرید جذبی و تراکمی، مربوط به نوع ماده مبرد به کار رفته در هر یک از این سیستم‌ها است. در سیکل تبرید تراکمی، از هالوکربن‌ها در اشکال مختلف به‌عنوان ماده سرمازا یا مبرد استفاده می‌شود. در حالی که در سیکل تبرید جذبی، آب به‌عنوان ماده مبرد انتخاب می‌شود. این تفاوت نه تنها بر ویژگی‌های عملکردی هر سیستم تأثیر می‌گذارد، بلکه بر جنبه‌های محیط‌زیستی و ایمنی نیز قابل توجه است، زیرا آب به‌عنوان یک مبرد، غیرسمی و غیرآلوده‌کننده است.)
نتیجه‌گیری
در نهایت، سیکل چیلر جذبی به دلیل استفاده از آب به عنوان مبرد و لیتیوم بروماید به عنوان جاذب، به یک سیستم کارآمد و ایمن برای تولید سرما تبدیل شده است. این سیستم نه تنها به کاهش مصرف انرژی و هزینه‌ها کمک می‌کند، بلکه در شرایط محیطی متنوع قابلیت عملکرد دارد. با توجه به اهمیت کاهش اثرات زیست‌محیطی و افزایش کارایی انرژی، چیلرهای جذبی به عنوان یک گزینه مناسب برای تأمین سرمایش در صنایع و ساختمان‌های بزرگ محسوب می‌شوند. به همین دلیل، درک عمیق از عملکرد و ویژگی‌های این سیستم‌ها می‌تواند به بهبود کارایی و افزایش پایداری در استفاده از منابع انرژی منجر شود.